迄今為止，盡管石墨烯具有許多特殊的特性，但由于缺乏相當(dāng)大的帶隙，因此無(wú)法構(gòu)建有效的電子和光電器件。深入的理論研究表明，大于1eV的帶隙只能在亞3nm寬的石墨烯納米帶（GNRs）中實(shí)現(xiàn)，但真正制造這種超窄GNRs仍然是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。在此，本文展示了一種通過縱向解開單壁碳納米管來(lái)合成超窄和光致發(fā)光半導(dǎo)體GNR的方法。 原子力顯微鏡揭示了解鏈過程，發(fā)現(xiàn)由此產(chǎn)生的2.2 nm寬GNR在685 nm處發(fā)出強(qiáng)烈而銳利的光致發(fā)光，證明了非常理想的半導(dǎo)體性質(zhì)。后續(xù)光電導(dǎo)率測(cè)量進(jìn)一步證實(shí)了1.8 eV的帶隙，當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)短于700 nm時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的光電流。更重要的是，我們制造的GNR場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，通過采用六方氮化硼封裝的異質(zhì)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)邊緣鍵合接觸，表現(xiàn)出超過10
5的高電流開/關(guān)比和 840 cm
2/V s 的載流子遷移率，接近室溫下半導(dǎo)體GNR的理論散射極限。 特別是，高度對(duì)齊的長(zhǎng)度可達(dá)1毫米的GNR束也可以通過對(duì)模板進(jìn)行預(yù)制圖來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且制造的GNR束FET顯示出高達(dá)10
5的高開/關(guān)比、明確定義的飽和電流和強(qiáng)發(fā)光特性。因此，通過這種方法生產(chǎn)的GNR為石墨烯電子和光電子領(lǐng)域的有前景的應(yīng)用打開了大門。
圖 1. SWCNT 的縱向解壓縮。 (a) SWCNT 逐漸解壓縮以形成GNR的示意圖。該過程首先通過輕度氧化引入缺陷，然后進(jìn)行超聲處理以擴(kuò)大缺陷，最后解開碳納米管。為了消除殘留的氧化位點(diǎn)，在惰性氣氛中采用熱退火 (600 ℃)。 2D和3D原子力顯微鏡(AFM)圖像和高度分布圖 a (b) SWCNT 具有橫跨納米管的高度分布圖，(c) 部分解壓縮的納米管具有沿 GNR-SWCNT 結(jié)的高度分布圖，以及(d)完全解壓縮 具有橫跨GNR的高度剖面的納米管。 (e) X 射線光電子能譜 (XPS) C 1s和 (f) SWCNT和GNR在熱退火前后的拉曼光譜比較。 (g) GNR 的高分辨率透射電子顯微鏡 (TEM) 圖像。
圖 2. GNR的AFM、拉曼和光致發(fā)光映射。 單層 GNR 的(a) AFM、(b) 拉曼和 (c)光致發(fā)光映射。100-GNR束的(d) AFM、(e) 拉曼和 (f)光致發(fā)光映射。 1000-GNRs 簇的(g) AFM、(h) 拉曼和 (i)光致發(fā)光映射。拉曼和光致發(fā)光映射分別基于D峰(1350 cm
-1)和685 nm處的發(fā)射峰重建。(c,f,i)中的插圖是光致發(fā)光光譜。
圖 3. h-BN封裝GNR和電氣特性。 (a-f) GNR的h-BN封裝和端鍵合接觸制造工藝的示意圖。 (g) 多層hBN-GNR-hBN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光學(xué)圖像。 虛線圓圈表示GNR的位置。 (h)所選GNR（左）和帶有四個(gè)電極的制造裝置（右）的AFM圖像。 (i)測(cè)量GNR的電導(dǎo)率作為光激發(fā)波長(zhǎng)的函數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)數(shù)作為誤差線。藍(lán)色區(qū)域表示低于電導(dǎo)率的最高測(cè)量暗值的值。(j) 在從0到-40 V 的各種柵極電壓VG下以-10 V的步長(zhǎng)在黑暗中記錄的輸出特性。 (k)在各種源漏電壓 V
SD在 -0.1、-0.3 和 −0.5 V。
圖 4.石墨烯束制造和表征。(a)GNR束制造過程的示意圖。該工藝從普通的 SiO2/Si 襯底開始，該襯底帶有通過光刻制造的圖案化方形光掩模。GNR溶液滴鑄在圖案表面上，并且 GNR 在干燥過程中傾向于自組裝以形成GNR束。最后，使用丙酮浴去除光掩模。 獲得的GNR束很容易通過光學(xué)顯微鏡觀察。(b)GNR 束的光學(xué)顯微鏡。 (c)具有觸點(diǎn)的單個(gè)??GNR束的AFM映射以及相應(yīng)的 (d) 拉曼和 (e) 分別在D峰 (1350 cm
-1)和685nm處的光致發(fā)光映射。 (f) 具有-1、-3和 -5 V不同源漏電壓的傳輸特性。 (g)在0到-40 V的各種柵極電壓下記錄的輸出特性，步長(zhǎng)為-5V。
相關(guān)科研成果山東大學(xué)Aimin Song等于2021年發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces（https://doi.org/10.1021/acsami.1c14597）上。原文：Photoluminescent Semiconducting Graphene Nanoribbons via Longitudinally Unzipping Single-Walled Carbon Nanotubes。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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