【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上海交通大學(xué)史志文教授課題組在納米科學(xué)權(quán)威期刊《Nano Letters》上發(fā)表題為“Coulomb Blockade and Possible Luttinger Liquid Behaviors in Encapsulated High-Mobility Graphene Nanoribbons”的最新研究論文，報(bào)道了關(guān)于六方氮化硼(hBN)原位封裝石墨烯納米帶(GNRs)的室溫高性能場(chǎng)效應(yīng)晶體管特性和低溫本征量子輸運(yùn)現(xiàn)象。
 

　　石墨烯納米帶具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)、可調(diào)帶隙和自旋電子學(xué)特性，成為凝聚態(tài)物理和納米電子學(xué)的研究熱點(diǎn)。更引人注目的是，石墨烯納米帶的一維結(jié)構(gòu)特征可帶來(lái)豐富的量子輸運(yùn)現(xiàn)象，如量子電導(dǎo)、庫(kù)侖阻塞和拉廷格液體行為，為探索強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理提供了理想平臺(tái)。然而，傳統(tǒng)方法制備的石墨烯納米帶通常受到外界環(huán)境干擾，導(dǎo)致載流子散射加劇，器件難以展現(xiàn)本征量子特性。
 

圖1. 六方氮化硼原位封裝的石墨烯納米帶及其邊緣接觸器件
 

　　近年來(lái)，六方氮化硼范德華封裝技術(shù)被證明是保護(hù)低維材料、提升其電學(xué)性能的有效途徑。特別是新近發(fā)展的原位封裝生長(zhǎng)技術(shù)，可直接在氮化硼層間中生長(zhǎng)石墨烯納米帶，從根本上避免任何外界因素干擾，開(kāi)辟了制備高質(zhì)量納米帶器件新途徑。
 

　　在此基礎(chǔ)上，上海交通大學(xué)史志文教授課題組通過(guò)優(yōu)化器件制備工藝，制備了高性能原位封裝石墨烯納米帶器件，并系統(tǒng)研究了該器件的室溫場(chǎng)效應(yīng)晶體管特性和低溫量子輸運(yùn)性質(zhì)。主要亮點(diǎn)如下：
 

　　1、材料與工藝突破
 

　　采用改進(jìn)的單步金屬蒸發(fā)工藝，減少接觸電阻和界面污染。六方氮化硼封裝有效抑制缺陷和聲子散射，載流子平均自由程在低溫下可達(dá)3.7μm。
 

　　2、高性能晶體管器件
 

　　通過(guò)六方氮化硼原位封裝和優(yōu)化的邊緣接觸技術(shù)，制備的石墨烯納米帶場(chǎng)效應(yīng)晶體管在室溫下表現(xiàn)出優(yōu)異性能：遷移率高達(dá)5000cm²V?¹s?¹，開(kāi)關(guān)比達(dá)10?，亞閾值擺幅低至約70mV/dec。短溝道器件的飽和電流接近10μA，電流密度約1750-2750μA/μm。
 

　　3、低溫量子輸運(yùn)
 

　　在低溫下，器件電輸運(yùn)呈現(xiàn)周期電導(dǎo)峰和規(guī)則的庫(kù)侖阻塞菱形結(jié)構(gòu)，表明納米帶作為一個(gè)量子點(diǎn)，其中具有較強(qiáng)的電子-電子排斥作用。在調(diào)控柵極的過(guò)程中，每出現(xiàn)一個(gè)電導(dǎo)峰意味著該器件被注入或移走了一個(gè)電子，該器件可看做單電子輸運(yùn)晶體管。此外，在該一維材料中實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到冪律依賴(lài)和普適標(biāo)度行為，證實(shí)了納米帶的拉廷格液體行為特征，其格液體液體參數(shù)g在0.1~0.3范圍內(nèi)柵極可調(diào)，為強(qiáng)關(guān)聯(lián)一維系統(tǒng)研究提供了新平臺(tái)。
 

圖2. 原位封裝石墨烯納米帶器件在液氦低溫下的單電子庫(kù)侖阻塞輸運(yùn)現(xiàn)象
 

　　本研究通過(guò)原位封裝材料體系和創(chuàng)新的器件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了兼具高性能晶體管功能和一維強(qiáng)關(guān)聯(lián)量子系統(tǒng)的石墨烯納米帶器件。這一成果不僅驗(yàn)證了石墨烯納米帶可用于構(gòu)建高性能電子器件，還為研究一維量子輸運(yùn)和關(guān)聯(lián)物理提供了理想材料體系。未來(lái)，通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化封裝技術(shù)和接觸界面，有望在量子計(jì)算和低功耗電子器件中發(fā)揮更大潛力。
 

　　相關(guān)論文發(fā)表在Nano Letters上，上海交通大學(xué)史志文教授為通訊作者，上海交通大學(xué)博士研究生沈沛約和呂博賽為文章的共同第一作者。論文合作者包括上海交通大學(xué)王國(guó)華博士、錢(qián)冬教授、梁齊教授、日本國(guó)立材料研究所Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi教授、中國(guó)科學(xué)院物理所楊威研究員和張廣宇研究員。論文的作者還包括上海交通大學(xué)博士研究生吳正瀚、王立果、張智淳、周先亮、婁碩、陳佳俊、馬賽群、謝宇烽、陳一、徐琨淇。本工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的資助，對(duì)此深表感謝。