厉害了！石墨烯纳米带实现边缘封闭，为迄今为止报道的最窄的GNR

厉害了！石墨烯纳米带实现边缘封闭，为迄今为止报道的最窄的GNR

石墨烯纳米带（GNR）作为电子和光电应用的理想材料，其制备一直是研究领域的重大挑战。近日，上海交通大学陈长新教授团队在Nature Electronics上发表重要研究成果，通过高压和热处理技术成功制备出迄今为止最窄的石墨烯纳米带，宽度低至1.4nm，且具有原子级平滑的闭合边缘。这一突破为高性能电子器件的开发提供了新的可能性。

具有光滑边缘、相当大的带隙和高迁移率的长而窄的石墨烯纳米带 (GNR) 非常适合电子和光电应用。然而，有效地制备这样的 GNR 是很困难的。最近，Changxin Chen 和他的同事报告说，可以通过使用高压和热处理挤压碳纳米管来生产具有原子级平滑闭合边缘的亚 10 纳米宽的半导体石墨烯纳米带。该研究于 9 月 6 日在线发表在Nature Electronics 上。

石墨烯在电子和光电子领域的应用的一个主要障碍是二维石墨烯是一种零带隙的半金属。一种解决方案是使用宽度较窄的一维石墨烯纳米带(GNR)。先前的研究表明，宽度小于 10 nm 的 GNR 都是半导体。特别是宽度小于5nm的GNR具有相当大的带隙，可以满足高性能逻辑器件的应用需求。由于边缘散射效应，GNR 的迁移率和电导率高度依赖于边缘粗糙度。

另一方面，基于目前的碳纳米管分离或生长技术，获得100%半导体单壁碳纳米管（SWCNTs）仍然是一个很大的挑战。这也使窄 GNR 在生产适用于未来集成电路的全半导体器件方面比 SWCNT 具有关键优势，这项工作的第一作者和通讯作者、上海交通大学电子科学与技术教授陈长新说。

不幸的是，超窄和超长的高质量 GNR 很难合成——尤其是那些在整个带状长度上都具有光滑边缘的 GNR。因此，一种有效地产生具有原子级平滑边缘的窄长 GNR 的方法是研究界的一个紧迫焦点。

在这项工作中，金刚石砧座电池（DAC）用于对碳纳米管进行高压处理。将 CNT 样品装入并密封在预缩进的钨垫圈中心的样品室中，然后将其压缩在两个金刚石砧之间。图 1 说明了高压和热处理前后 CNT 的结构变化，其中原始 CNT 在处理后被挤压成 GNR。高非静水压力的应用和适当的热处理以及碳纳米管先天缺陷的稳定作用有助于实现碳纳米管的不可逆径向变形。这使得 CNT 被压缩成 GNR。从压扁的 CNT 获得的 GNR 具有原子级光滑、闭合的边缘和很少的缺陷。

通过这种方法，获得了小于 5 nm 的 GNR，并记录了低至 1.4 nm 的 GNR 宽度，这是迄今为止报道的使用自顶向下方法制造的 GNR 中最窄的一种。边缘开放的 GNR 也可以通过使用氧化剂 HNO3 在高压下选择性蚀刻压扁的 CNT 的边缘来制备。将单壁和双壁 CNT 挤压成边缘封闭的 GNR 可以实现高达 54% 的高产率。由 2.8 nm 宽边缘封闭 GNR 构建的典型场效应晶体管 (FET) 表现出高综合性能，具有高 Ion/Ioff 比 (>10^4)、导通电导率 (7.42 mS) 和器件迁移率(2,443 cm^2 V^−1 s^−1) 同时实现。估计此 GNR 的带隙约为 494 meV。窄半导体 GNR 的高产合成高迁移率和相当大的带隙对其大规模器件集成至关重要。

这项工作中的方法为生产高质量、窄且长的半导体 GNR 和控制 GNR 的边缘类型提供了一条途径，以探索它们在电子和光电子学中的基本特性和实际应用。这是生产高质量 GNR 和高性能 GNRFET 的重大进步。与之前报道的方法相比，这种新方法能够产生更窄的 GNR，Changxin Chen 说。此外，我们的方法可以实现整个 GNR 中原子级平滑的边缘，从而提高材料和器件的迁移率。”

利用我们方法的高产率，有希望通过进一步使用多砧装置或大容量压力机来扩大合成规模。重要的是，这种方法也可以扩展到由压扁的纳米管制造其他材料基纳米带并压平其他富勒烯材料，Changxin Chen 说。

本文原文来自先驱中国