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上海交大微纳电子学系陈长鑫研究组在《Nature Electronics》上发表最新研究成果

近日,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研究组在窄的边缘光滑的石墨烯纳米带(GNR)的制备及其高性能晶体管应用研究方面取得了重要进展。研究成果以“Sub-10-nm graphene nanoribbons with atomically smooth edges from squashed carbon nanotubes(来自被压扁碳纳米管的边缘原子级光滑的亚10纳米石墨烯纳米带)”为题在Nature Electronics期刊上发表。

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后摩尔时代场效应晶体管的发展路线主要有两条:其一,从工艺技术上把器件线宽进一步做得更小;其二,从材料着手探寻新的先进材料以进一步提升晶体管性能并减小器件尺寸和功耗。传统硅基晶体管随着尺寸不断减小已受到了原理上和技术上的大的限制。石墨烯由于具有原子层厚度和超高的载流子迁移率,是潜在的晶体管候选或补充材料。但是二维石墨烯是一种半金属材料、无带隙,因此无法直接利用它实现晶体管的开/关特性。对此一个有效的解决途径是将石墨烯制成一维的,利用量子尺寸限域效应来打开石墨烯的带隙。研究发现当一维石墨烯的宽度小至10纳米以下时其全部为半导体性,特别是当其宽度小于5纳米时其将具有可观的带隙值从而满足晶体管和集成电路应用的需要。然而,制备边缘光滑、带隙大、迁移率高的窄且长的GNR具有大的挑战性。

针对这一难题,上海交通大学陈长鑫教授研究组与斯坦福大学Hongjie Dai (戴宏杰)教授、美国SLAC国家加速器实验室Wendy L. Mao教授研究组合作发展了一种通过高压和热处理将碳纳米管(CNT)压扁的方法以制备宽度低于10 nm的有着原子级光滑闭合边缘的半导体性GNR(图1)。这种方法能够制得亚5纳米宽度的很窄的GNR,最小的纳米带宽度可低至1.4 nm(图2)。通过这种方法,样品中54%的单壁和双壁可被转变为边缘闭合的纳米带。纳米带的形成是通过高压处理和热处理共同作用实现的,处理后CNT在径向发生重要变形,从而形成闭合边缘的GNR。利用压扁状态下处于高应变的CNT边缘的碳原子的反应活性比平的CNT中心更高,研究人员还使用硝酸作为氧化剂对高压下被压扁的CNT进行选择性的边缘蚀刻,进而制得边缘打开的GNR。研究人员使用宽度为2.8 nm的石墨烯纳米带制作了场效应晶体管,器件的开关电流比可高于104、场效应迁移率和开态电导率分别达到2443 cm2 V-1 s-1和7.42 mS。制得的纳米带的带隙被估计为0.49 eV(图3)。结果显示了这种GNR在逻辑电路中具有良好的应用前景。

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图1. 通过高压和热处理将单壁和双壁CNT(左图)压扁成为边缘闭合的双层和四层GNR(右图)的示意图(来源:Nature Electronics)

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图2. 制备的GNR和CNT原料的扫描透射电子显微镜原子分辨图像和表征(来源:Nature Electronics)

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图3. 边缘闭合的GNR的室温电学测量(来源:Nature Electronics)

该工作提供了一条制备具有光滑边缘、大带隙和高迁移率的窄且长的GNR的途径,也提供了控制其边缘类型的方法引导,从而为探索这种GNR的基本性能及其在电子和光电子领域的应用奠定基础。这种制备方法也有望被延伸用于制备其它材料的来自被压扁纳米管的纳米带或用于压扁其它富勒烯材料等上。该研究有益于促进碳材料在未来集成电路中的应用。

此研究工作被新加坡国立大学的Chee-Tat Toh教授在Nature Electronics期刊上以“Squashing carbon nanotubes into nanoribbons(压扁碳纳米管成为纳米带)”为题撰文进行了正面评述、肯定了该工作的重要意义;并被Physics World期刊、Phys.org、Tech Xplore、Newsbreak科技网等多个科技媒体专题报道。

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图4.同行评价

上海交通大学为该论文第一单位和通讯单位。陈长鑫教授为论文第一作者和通讯作者,Wendy L. Mao教授、Hongjie Dai教授为论文共同通讯作者。本工作得到了教育部长江学者奖励计划青年学者项目(no. Q2017081)、国家自然科学基金优秀青年科学基金项目和面上项目(no. 61622404和no. 62074098)、上海市科委创新行动计划国际合作项目(no. 15520720200)等基金项目的支持。 

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

同行专家在Nature Electronics期刊上的评论https://www.nature.com/articles/s41928-021-00645-2

电子信息与电气工程学院
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