石墨烯由于具有高的电荷载流子迁移率，在晶体管等电子器件领域具有重要应用前景，有望实现更快的计算能力。然而，石墨烯没有带宽，导致石墨烯电子器件在任何闸极电压下都依然保持高导电性，不能完全关闭，从而限制了其在电子器件的应用。因此，科研工作者长期以来都致力于如何使石墨烯半导体化。

 

                                              

                                                                              第一作者：César Moreno

                                                                              通讯作者：César Moreno, Diego Peña, Aitor Mugarza

                                                                              第一单位：加泰罗尼亚纳米科技研究所（西班牙）

 

为了使石墨烯半导体化，目前通用的策略是制备石墨烯纳米带或者纳米孔结构，理论计算表明，通过对形貌、宽度以及边界结构等参数的调控，石墨烯纳米带或纳米孔石墨烯不仅具有可调的能带结构，还可以得到许多其他的新奇的物理性质。

 

                                                                                      

         图1.纳米带或纳米孔石墨烯的两类合成方法

 

合成纳米带或纳米孔石墨烯的方法，较多地采用自上而下的物理法。以石墨烯为原料，通过电子束刻蚀等方法直接制得。这种方法制得的纳米带或者纳米孔有一个不可避免的缺陷，就是很难实现原子结构的精确度。纳米孔或纳米带的特征此处不能达到2 nm的尺寸精度，开放带宽难以实现1 eV，不能和传统的Si半导体材料争高下！

为了实现原子结构精确的纳米孔或纳米带石墨烯，科研工作者发明了一种自下而上的化学分子聚合合成策略。2010年，Cai等人以DBBA分子为前驱体，在Au(111)单晶表面，通过超高真空加热聚合，制备得到超窄的石墨烯纳米带。

 

                                                                                                               

图2. 化学合成石墨烯纳米带

 

Jinming Cai, Klaus Müllen, Roman Fasel et al. Atomically precise bottom-up fabrication of graphene nanoribbons. Nature 2010, 466, 470–473.（道睿研究院院长蔡金明博士及其团队从事石墨烯研究十余年，在有机功能薄膜材料特别是石墨烯相关材料的制备与本征物性表征方面取得了世界瞩目的成果）

即便如此，问题依然存在：一方面，石墨烯纳米带长度不够（<50 nm），导致器件表征困难；另一方面，纳米孔石墨烯的化学法精确合成仍然有待突破。

有鉴于此，西班牙加泰罗尼亚纳米科技研究所Aitor Mugarza, César Moreno和西班牙圣迭戈·德孔波斯代拉大学Diego Peña团队合作，报道了一种化学分子前驱体聚合制备1 nm孔半导体石墨烯的新策略。

 

                                                                

        图3. 化学合成纳米孔石墨烯

 

研究人员采用类似石墨烯纳米带的合成策略，以DP-DBBA为分子前驱体，在Au(111)单晶表面。在200℃时分子开始聚合，在400℃左右开始形成纳米带。和之前的石墨烯纳米带不一样的是，这种石墨烯纳米带结构并不是规则的直线型，因此，当进一步进行450℃的退火操作时，石墨烯纳米带并没有继续变宽形成更宽的纳米带，而是聚合形成纳米孔结构的石墨烯。

 

                                                              

        图4. 纳米孔石墨烯的合成表征

 

研究表明，这种纳米孔石墨烯孔径可达到1 nm尺度，高度各向异性的能带宽度达到1 eV。值得一提的是，这种半导体化的纳米孔石墨烯具有大面积的导电晶畴区域，基于此制备的晶体管具有高开关比和约75%的电学测试收率。

 

                                                              

                    图5. 纳米孔石墨烯的电学性能

 

                                                                                      

           图6. 纳米孔石墨烯的传递性能

 

总之，这项研究为半导体化石墨烯的精确合成提供了全新的方向，在分离、传感、DNA测序等领域将带来更多的机遇！

1. César Moreno, Manuel Vilas-Varela, Bernhard Kretz, Diego Peña, Aitor Mugarza et al. Bottom-up synthesis of multifunctional nanoporous graphene. Science 2018, 360, 199-203.

2. Alexander Sinitskii. A recipe for nanoporous graphene. Science 2018, 360, 154-155.

 

新闻来源：https://mp.weixin.qq.com/s/XZg4IFRC6FhgJfXBRx_w8A