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他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室“種”出世界最長(zhǎng)石墨烯納米帶
作者：蒲雅杰,馮麗妃   來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)  
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自2004年英國(guó)科學(xué)家用膠帶從石墨層上“撕”出石墨烯并在6年后獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)以來(lái)，這種二維材料已成為備受矚目的“新材料之王”。
石墨烯具有超高的載流子遷移率，導(dǎo)電性能優(yōu)異，是未來(lái)高性能電子器件與芯片的理想候選材料。然而，其“零帶隙”特征卻成為限制其應(yīng)用的“致命缺陷”。相比之下，寬度小于十納米的準(zhǔn)一維材料——石墨烯納米帶則可以通過(guò)量子限域效應(yīng)打開帶隙，解決這一缺陷。不過(guò)，制備高質(zhì)量的石墨烯納米帶一直存在挑戰(zhàn)。
近日，上海交通大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱上海交大）教授史志文團(tuán)隊(duì)與武漢大學(xué)教授歐陽(yáng)穩(wěn)根團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員丁峰團(tuán)隊(duì)、以色列特拉維夫大學(xué)教授Michael Urbakh團(tuán)隊(duì)等合作，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)“種”出世界上最長(zhǎng)、性能最優(yōu)的石墨烯納米帶，并分析了其優(yōu)異性能背后的機(jī)制。相關(guān)研究發(fā)表于《自然》。
一個(gè)意外的發(fā)現(xiàn)
石墨烯納米帶具有適合制作晶體管器件所需的帶隙，是未來(lái)集成電路的理想材料。
如何把二維的石墨烯變成一維的石墨烯納米帶？
在全球范圍內(nèi)，物理學(xué)家嘗試了許多方法。其中包括將石墨烯切割成寬度小于5納米的條帶來(lái)制備納米帶，但這樣的精度很難實(shí)現(xiàn)；即使能做出來(lái)，制備出的石墨烯納米帶往往存在晶格缺陷、邊緣結(jié)構(gòu)被打亂等問(wèn)題，導(dǎo)致性質(zhì)較差。也有科學(xué)家嘗試在金屬單晶襯底上生長(zhǎng)石墨烯納米帶，但成品長(zhǎng)度僅有20至30納米，且經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)移后襯底中存在電荷雜質(zhì)等無(wú)序效應(yīng)，無(wú)法走向?qū)嶋H應(yīng)用。
十幾年前，史志文還在中國(guó)科學(xué)院物理研究所讀博時(shí)，就開始研究石墨烯納米帶，并且發(fā)表一些制備石墨烯納米帶的方法，但并未完全解決上述問(wèn)題。
2020年，史志文在上海交大帶領(lǐng)博士生呂博賽在六方碳化硼基底上生長(zhǎng)另一種一維納米材料——碳納米管時(shí)，意外地發(fā)現(xiàn)，基底上長(zhǎng)出的“果子”不僅有碳納米管，還有一些比納米管要矮一截、高度只有零點(diǎn)幾納米的一維材料。
他們對(duì)這些材料進(jìn)行原子分辨表征，驚喜地發(fā)現(xiàn)：它們竟是石墨烯納米帶。
有趣的是，很多石墨烯納米帶并非生長(zhǎng)在氮化硼基底的表面，而是嵌在氮化硼層間。
他們與丁峰團(tuán)隊(duì)合作，分析了石墨烯納米帶的形成原因，并認(rèn)識(shí)到六方氮化硼基底的重要性。
“之前，生長(zhǎng)在金屬基底上的石墨烯納米帶，如果做器件，需要采用‘機(jī)械封裝’轉(zhuǎn)移到其他地方，因?yàn)榻饘俚幕�底�?huì)干擾測(cè)量；與此相對(duì)，六方碳化硼是一個(gè)非常好的絕緣體，石墨烯納米帶長(zhǎng)在六方碳化硼層間，意味著它不需要任何轉(zhuǎn)移，就可以實(shí)現(xiàn)‘原位封裝’，使其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)免受外界環(huán)境因素和微納加工的影響，從而展現(xiàn)出優(yōu)異的性能�！闭撐耐ㄓ嵶髡呤分疚恼f(shuō)。
隨后，史志文抓住“意外”，指導(dǎo)呂博賽展開實(shí)驗(yàn)——在六方碳化硼基底上“種”石墨烯納米帶。
他們開展了大量的實(shí)驗(yàn)，反復(fù)摸索，終于找到石墨烯納米帶生長(zhǎng)所要具備的溫度、氣壓、催化劑等培養(yǎng)條件。
“我們把一些催化劑納米顆粒放在六方氮化硼晶體基底上，將基底放置到管式爐中，在爐中通入甲烷氣體，再把溫度上升到800攝氏度左右讓甲烷分解產(chǎn)生碳原子，在催化劑上長(zhǎng)出不斷生長(zhǎng)的石墨烯納米帶。”論文第一作者呂博賽向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》解釋。
通過(guò)這種方法，研究者在六方氮化硼基底上培育出世界上最長(zhǎng)的石墨烯納米帶，其長(zhǎng)度則可達(dá)亞毫米量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出此前報(bào)道的長(zhǎng)度。同時(shí)，其寬度僅3~5納米，且是單手性的，這意味著其具有較大的帶隙，同時(shí)性質(zhì)更加穩(wěn)定。
實(shí)驗(yàn)室測(cè)量表明，這些石墨烯納米帶展現(xiàn)出優(yōu)異的性能：載流子遷移率達(dá)4,600 cm2V–1s–1，開關(guān)比可達(dá)106，是目前在超窄石墨烯納米帶中所實(shí)現(xiàn)的最高紀(jì)錄。
“電子遷移率、開關(guān)比都是制做電子器件時(shí)要著重關(guān)注的性能指標(biāo)。電子遷移率越大意味著器件響應(yīng)就越快，就會(huì)有更高的運(yùn)算速度和更低的能耗；更高的開關(guān)比則意味著能實(shí)現(xiàn)更有效的打開和關(guān)閉�！笔分疚南颉吨袊�(guó)科學(xué)報(bào)》解釋，這些出色的性能有望讓新的研究成果在將來(lái)的納米電子器件中扮演重要的角色。
長(zhǎng)得長(zhǎng)的秘密是“零摩擦”
世界最長(zhǎng)的高性能石墨烯納米帶生長(zhǎng)出來(lái)了，其背后的機(jī)理是什么？
為了回答這個(gè)問(wèn)題，史志文聯(lián)系了很多專家和團(tuán)隊(duì)尋求合作。其中就包括武漢大學(xué)教授歐陽(yáng)穩(wěn)根。史志文看到了歐陽(yáng)穩(wěn)根在以色列特拉維夫大學(xué)做博后期間和其合作導(dǎo)師Michael Urbakh教授在《納米快報(bào)》上發(fā)表一篇文章，論述了石墨烯納米條帶在六方氮化硼基底上奇特的超低摩擦行為。他認(rèn)為這可用來(lái)揭示實(shí)驗(yàn)中所觀測(cè)到的納米條帶的生長(zhǎng)機(jī)制，就通過(guò)郵件找到了Urbakh和歐陽(yáng)穩(wěn)根一起合作。
為了揭示石墨烯納米帶在六方氮化硼層間的生長(zhǎng)機(jī)制，歐陽(yáng)穩(wěn)根帶領(lǐng)博士生王森對(duì)實(shí)驗(yàn)體系進(jìn)行了大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬。
他們把實(shí)驗(yàn)室的研究“搬進(jìn)”武漢大學(xué)超算中心和國(guó)家天河超算中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)，連續(xù)研究了三年，做了大量的測(cè)試，對(duì)石墨烯納米帶各種生長(zhǎng)方向的長(zhǎng)度、寬度、變形等路徑進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)超長(zhǎng)石墨烯納米帶的形成與其在六方氮化硼層間滑移時(shí)呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)“超滑”性質(zhì)——近零摩擦損耗有關(guān)。
“六方氮化硼晶體邊緣的金屬顆粒催化劑會(huì)像‘根’一樣，吸收甲烷分解產(chǎn)生的碳原子。新的碳原子會(huì)把催化劑上已經(jīng)生成的石墨烯納米帶往前推，讓其不斷生長(zhǎng)。在這個(gè)滑動(dòng)過(guò)程中，生成的石墨烯納米帶越長(zhǎng)，新原子往前走時(shí)受到的阻力越大，當(dāng)推力抵消不了阻力時(shí)，納米帶的生長(zhǎng)就會(huì)停止�！闭撐墓餐�通訊作者歐陽(yáng)穩(wěn)根向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》解釋，“只有受到的阻力很小，才能長(zhǎng)得很長(zhǎng)�！�
歐陽(yáng)穩(wěn)根表示，這解釋了在實(shí)驗(yàn)中“鋸齒”形和“扶手椅”形的石墨烯納米帶比在表面的納米條帶長(zhǎng)得更長(zhǎng)的原因。特別是“鋸齒”形的石墨烯納米帶，沿著六方氮化硼層間滑動(dòng)摩擦力最低的“山谷”生長(zhǎng)，這條“綠色通道”使得超長(zhǎng)石墨烯納米帶呈現(xiàn)單手性生長(zhǎng)的特征。
這一計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果得到了Urbakh團(tuán)隊(duì)的理論分析和丁峰團(tuán)隊(duì)第一性原理計(jì)算的支撐。
進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究也證明，六方氮化硼晶體內(nèi)的石墨烯納米帶長(zhǎng)得最長(zhǎng)，因?yàn)槠涮荚�子前進(jìn)時(shí)受到的阻力最小。盡管石墨烯納米帶在晶體表面也能長(zhǎng)，但因其在表面生長(zhǎng)受到的阻力較大，最長(zhǎng)只能生長(zhǎng)幾十微米。
合作共贏 各展所長(zhǎng) 
呂博賽介紹，新技術(shù)生長(zhǎng)石墨烯納米帶的速度非�？欤瑤追昼娋涂梢蚤L(zhǎng)出數(shù)百微米。這意味著這種性能優(yōu)異的一維材料可以很容易地實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、批量化制備。
“非常新穎”“令人興奮”“這是一種創(chuàng)新的方法”……《自然》雜志的5位審稿人對(duì)這項(xiàng)研究給予了高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為研究克服了在電子產(chǎn)品中使用石墨烯的最大障礙（即零帶隙），解決了此前制備石墨烯納米帶過(guò)程中存在的各種挑戰(zhàn)，所獲得的石墨烯納米帶清楚地顯示出半導(dǎo)體性質(zhì)，為未來(lái)受控材料的合成提供了新見(jiàn)解，具有良好的應(yīng)用前景。
談及這項(xiàng)研究成功的原因，史志文說(shuō)，一個(gè)人的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)是有限的，好的研究離不開跨領(lǐng)域?qū)＜业暮献鳎�這項(xiàng)研究的突破正是得益于各展所長(zhǎng)的良好合作模式。“在開展合作的三年中，來(lái)自四個(gè)單位的合作團(tuán)隊(duì)幾乎以每月都會(huì)開展一到兩次線上討論，確保項(xiàng)目的順利進(jìn)行�！�
研究者期望，這項(xiàng)成果可以在高性能晶體管器件、未來(lái)的集成電路等方面發(fā)揮作用。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07243-0
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