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science重磅:化学合成半导体纳米孔石墨烯!

导读: 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。

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。

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。

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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。

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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.

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 Pe?a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。

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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。

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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。

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图5. 纳米孔石墨烯的电学性能

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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!(来源:钛媒体)

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