第一作者：Hui Shan Wang, Lingxiu Chen, Kenan Elibol, Li He
通讯作者：王浩敏，Jannik C. Meyer
第一单位：中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室
DOI：10.1038/s41563-020-00806-2
石墨烯纳米带（GNRs）根据其手性，带宽，晶格取向和边界结构的不同，能出现准金属性或半导体的电学行为。根据GNRs边界结构的不同，可将其分为zigzag（ZZ）和armchair（AC）。ZZ GNRs（ZGNRs）具有非常新奇的电学特性，如铁电性和半金属性。而AC GNRs（AGNRs）则具有半导体特性，并且其带隙的宽度与其纳米带宽度呈反比。最近有科研人员开发出将石墨烯与氮化硼（h-BN）通过范德华堆叠或平面内共价连接的方式异质集成，发现这种异质材料展现出非常高的化学/力学稳定性，并且有可能具有完全不同于石墨烯和氮化硼的新奇电学特性。但目前在这种异质结构中实现对GNRs的手性可控还具有相当大的挑战性。
本文亮点：
1. 作者开发出两步式生长方法，可生长出能嵌入在h-BN中，具有zigzag和armchair边界的亚5nm宽的石墨烯纳米带（GNRs）
2. 作者通过输运测量，发现ZGNRs的带隙宽度与纳米带的宽度呈反相关，而窄AGNRs的带隙则显示出波动的带隙关系。并且两种具有不同边界结构的GNRs的磁导率也展现出不同的性质
3. 预期在h-BN中侧向生长具有特殊边界结构的GNRs 特殊生长模式有助于实现合成复杂的纳米级电路。
图1 将GNRs定向嵌入h-BN的合成策略
a. 将要嵌入在h-BN中的ZGNR和AGNR的结构示意图。
b. 将GNRs定向嵌入具有定向晶体学边界的h-BN的合成策略。不同的金属粒子在h-BN层中切割出具有不同边缘拓扑结构的纳米沟槽。具有特定边缘的纳米沟槽被用来定义GNRs延ZZ（顶部）或AC（底部）方向的生长和尺寸。
图2 具有特定边缘的纳米沟槽和嵌入h-BN顶层的GNRs
a. 纳米颗粒刻蚀后的，具有亚5nm超窄ZZ取向的纳米沟槽的三维原子力显微镜（AFM）横高图像
b. 亚5nm超窄ZGNR的三维AFM横高图像
c. 纳米颗粒刻蚀后的，具有亚5nm超窄AC取向的纳米沟槽的三维AFM横高图像
d. 亚5nm超窄AGNR的三维AFM横高图像
所有图像的比例尺均为20nm
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图3 h-BN上GNRs器件的电学输运性质测量
a. 在不同温度下，具有约5nm宽的AGNR器件（样品编号A39）的电导（G）随Vgate的变化关系。
b. 在25-300 K范围内，AGNR FET的电阻在不同Vgate值下的Arrhenius曲线图。
c. 样品编号为A187，宽度约为4.8nm的AGNR器件的电导与Vgate关系图。即使在室温下，也可以完全关闭AGNR FET。
d. c中所示的器件在300 K下，在Vgate为-25-25V时记录的ISD–VSD特性。
e. 从GNR的实验数据中提取的带隙（Eg）与其条带宽度（w）的关系图。误差线表示宽度测量和间隙提取中不确定度的标准偏差。通过TEM测量的某些宽度比通过AFM测量的宽度显示出更低的不确定性。橙色虚线为将ZGNR数据用经验公式Eg = 1.89/w拟合后的结果。其中Eg的单位为eV，w的单位为nm。蓝色虚线表示将AGNR数据用经验公式Eg = 2.44/w拟合后的结果。
f. 从GNR器件中提取的迁移率和MFP。最窄的GNR显示出载流子高于1,500 cm2 V-1 s-1的迁移率，其散射MFP估计大于50 nm。误差线表示从多个测量中提取的宽度测量和迁移率/MFP中不确定度的标准偏差。
图4 h-BN中相对较宽的GNRs的场效应和磁电特性的测量
a. 不同温度下，宽约8.9 nm的ZGNR样品（编号为 Z196）的典型转移曲线。
b. 不同温度下，宽约9.5 nm的AGNR样品（编号为 A135）的典型转移曲线。
c. 根据电导率峰值的特征，具有特定边缘的GNR的类型分布饼图。在ZGNR的饼图中，类型I表示具有即使在高温下电导峰也能幸存的ZGNR（典型示例为编号为Z196的器件）。类型II表示具有在高温下电导峰会消失的ZGNR。在AGNRs的饼图中，类型III表示在传递曲线中缺少电导峰的AGNR（典型示例是编号为A135的器件）。类型IV表示在低温下传递曲线具有微小峰的AGNR。
d. 样品编号为 Z196的器件，在4 K下，不同Vgate值下获得的归一化MC。磁场施加在垂直于基底平面的方向上（z方向）。
e. 样品编号为 A135的器件，在垂直于基底平面的磁场下，在2 K测得的不同Vgate值下的归一化MC。
f. 对于不同宽度的GNR，所有测量的GNR的归一化MC与Vgate的关系分布。所有MC都在垂直于基底平面，9T的磁场下测量得到的。空心符号（红色）表示ZGNR，而实心符号（蓝色）表示AGNR。