压扁碳管，Nature Electronics！上海交大陈长鑫等人发展原子级光滑边缘的石墨烯纳米带！

通讯作者：Changxin Chen, Wendy L. Mao, Hongjie Dai

通讯单位：上海交通大学, 斯坦福大学

提高集成电路的性能、降低电路功耗通常是通过减小晶体管的大小实现，但是发展至今硅基晶体管由于尺寸不断减小已接近其物理上和技术上的极限。石墨烯由于具有原子层厚度和高的载流子迁移率，是潜在的晶体管候选材料。然而，本征石墨烯是一种半金属材料、无带隙，因此无法实现晶体管的开和关特性。

人们发现：当石墨烯的宽度缩小至10纳米以下时，能够产生带隙显示半导体性，石墨烯纳米带具有潜在的电子学和光电子学器件的应用前景。

关键问题在于：高质量的石墨烯纳米带的制备很困难，其中的问题包括难获得宽度很窄且边缘光滑的纳米带，而且纳米带的边缘和表面缺陷位点会导致石墨烯纳米带无法形成足够大的能带间隙。总之，制备具有光滑边缘、较大带隙、高迁移率的窄且长的石墨烯纳米带仍具有很大的难度。

新发展：将碳纳米管压扁成石墨烯纳米带

有鉴于此，上海交通大学电子信息与电气工程学院微纳电子学系陈长鑫、斯坦福大学Wendy L. Mao和戴宏杰作为共同通讯作者报道了一种新颖的石墨烯纳米带的制备方法。

研究人员通过一种高压和热的处理方法可压扁碳纳米管，生成边缘原子级光滑的闭合边缘石墨烯纳米带。这种方法能够制备亚5纳米宽度的石墨烯纳米带，可将样品中54 %的单壁和双壁碳纳米管转变为石墨烯纳米带。此外，作者也在高压条件下使用硝酸作为氧化剂对压扁的碳纳米管的边缘进行选择性刻蚀，得到了边缘开放的石墨烯纳米带。

作者将制备的约2.8 nm宽的边缘闭合的石墨烯纳米带构建了场效应晶体管。器件的开关比可高于10⁴，对应石墨烯纳米带被估计具有494 meV的带隙。器件的场效应迁移率达2443 cm² V^-1 s^-1。

此项工作被新加坡国立大学的Chee-Tat Toh教授在Nature Electronics期刊上进行了正面评述，肯定了该工作的重要意义。

高压+热，双重处理

本文作者发展的通过一种高压和热的处理将碳纳米管压扁的方法能够以较高的产率制备宽度低于10 nm的石墨烯纳米带。这种方法能够得到亚5纳米宽度的很窄的石墨烯纳米带，最小的纳米带的宽度可低至1.4 nm。这种石墨烯纳米带的形成是通过高压和热处理共同作用实现的。高压和热处理后碳纳米管在径向发生不可逆的重要变形，导致形成闭合边缘的石墨烯纳米带。

图1. 通过高压和热处理压扁碳纳米管制备边缘闭合的石墨烯纳米带

图2. 制得的石墨烯纳米带和碳纳米管的表征

1. 碳纳米管的合成。通过催化剂辅助化学气相沉积方法分别合成了两种碳纳米管材料：

（1）通过浮动催化剂CVD法合成了3.7 nm的碳纳米管（直径区间1.9-6.4 nm，70±5 %的碳纳米管为单层/双层，此外还有少量多层碳纳米管）；

（2）通过在基片上制备催化剂用于CVD合成的方法制作了直径为0.8-3 nm的碳纳米管（主要为双壁碳纳米管，含有少量单壁或三层碳纳米管）。

2. 高压处理碳纳米管。作者通过金刚石对顶砧设备（DAC）进行碳纳米管的高压处理。实验中通过原位Raman光谱法表征压力从大气压增加至22.8 GPa过程中样品结构变化的情况。在常压条件下，发现116 cm^-1径向共振振动（RBM）特征峰，当压力逐渐增加，该峰位逐渐蓝移、峰强度降低，当压力达到5.5 GPa，径向结构变化导致RBM特征峰消失。

图4. 高压处理合成石墨烯纳米带的原位拉曼表征

同时，拉曼峰的G峰同样随着压力增加而蓝移，同时振动峰的强度减小，这种蓝移是因为在压力作用下C-C键键长缩小导致键的振动频率增大。G峰偏移与压力的变化呈大致线性关系，但是当压力达到4 GPa时，发现G峰蓝移的速率发生了改变。从这现象能推出在4 Gpa压力时出现了重要的径向结构转变。

3. 高压下的热处理。当压力达到22.8 Gpa最高压力时，保持此压力将样品加热至220 ℃对样品进行热处理可使处理后的样品结构更稳定，热处理后通过快的空气气流吹将样品快速冷却至室温，最后将压力逐渐卸载减小至大气压力。研究发现该处理有利于被压扁材料结构的稳定。

高性能场效应晶体管

作者进一步通过宽度为2.8 nm的纳米管制作了场效应晶体管器件，实现了2443 cm² V^-1 s^-1的场效应迁移率，开态导电率和开关比分别达到7.42 mS和>10⁴，制得纳米带的带隙被估计为~0.49 eV。结果表明这种石墨烯纳米带材料具有在逻辑电路中的应用前景。

图3. 石墨烯纳米带场效应晶体管的性能

此外，该工作的研究意义还在于：

1）将碳纳米管压平为纳米带的转变过程与碳纳米管原料的类型（半导体性或金属性）无关，只要满足相关条件就能制得被压扁的石墨烯纳米带。

2）该项工作通过使用单壁、双壁以及更多壁数的碳纳米管作为原料，能够分别得到双层、四层以及更多层数的石墨烯纳米带。这样制得的多层纳米带结构可增加器件电流以满足集成电路应用需要较大器件电流的场合，而不需要将石墨烯纳米带或碳纳米管制作成阵列来满足此需求，这样可使得制作的晶体管尺寸很小。

3）这种边缘闭合的多层石墨烯纳米带比边缘打开的石墨烯纳米带具有更高的稳定性，能够更好地克服出现在边缘的材料破裂和化学反应的问题。

总体而言，这项研究发展了一种新颖的石墨烯纳米带的制备方法，为石墨烯纳米带在电子和光电子器件领域的应用起到了重要推动作用。

参考文献：

【1】Chen, C.; Lin, Y.; Zhou, W.; et al. Sub-10-nm graphene nanoribbons with atomically smooth edges from squashed carbon nanotubes. Nat Electron (2021).

DOI: 10.1038/s41928-021-00633-6

https://www.nature.com/articles/s41928-021-00633-6

【2】Chee-Tat Toh. Squashing carbon nanotubes into nanoribbons, Nat Electron (2021).

DOI: 10.1038/s41928-021-00645-2

https://www.nature.com/articles/s41928-021-00645-2