化學合成半導體納米孔石墨烯，到底有哪些特征？

化學合成半導體納米孔石墨烯，到底有哪些特征？

石墨烯由于具有高的電荷載流子遷移率，在晶體管等電子器件領域具有重要應用前景，有望實現更快的計算能力。然而，石墨烯沒有帶寬，導致石墨烯電子器件在任何閘極電壓下都依然保持高導電性，不能完全關閉，從而限制了其在電子器件的應用。因此，科研工作者長期以來都致力于如何使石墨烯半導體化。



為了使石墨烯半導體化，目前通用的策略是制備石墨烯納米帶或者納米孔結構，理論計算表明，通過對形貌、寬度以及邊界結構等參數的調控，石墨烯納米帶或納米孔石墨烯不僅具有可調的能帶結構，還可以得到許多其他的新奇的物理性質。

合成納米帶或納米孔石墨烯的方法，較多地采用自上而下的物理法。以石墨烯為原料，通過電子束刻蝕等方法直接制得。這種方法制得的納米帶或者納米孔有一個不可避免的缺陷，就是很難實現原子結構的精確度。納米孔或納米帶的特征此處不能達到2 nm的尺寸精度，開放帶寬難以實現1 eV，不能和傳統(tǒng)的Si半導體材料爭高下！



為了實現原子結構精確的納米孔或納米帶石墨烯，科研工作者發(fā)明了一種自下而上的化學分子聚合合成策略。2010年，Cai等人以DBBA分子為前驅體，在Au(111)單晶表面，通過超高真空加熱聚合，制備得到超窄的石墨烯納米帶。

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，問題依然存在：一方面，石墨烯納米帶長度不夠（<50 nm），導致器件表征困難；另一方面，納米孔石墨烯的化學法精確合成仍然有待突破。



有鑒于此，西班牙加泰羅尼亞納米科技研究所Aitor Mugarza, César Moreno和西班牙圣迭戈·德孔波斯代拉大學Diego Pe?a團隊合作，報道了一種化學分子前驅體聚合制備1 nm孔半導體石墨烯的新策略

研究人員采用類似石墨烯納米帶的合成策略，以DP-DBBA為分子前驅體，在Au(111)單晶表面。在200℃時分子開始聚合，在400℃左右開始形成納米帶。和之前的石墨烯納米帶不一樣的是，這種石墨烯納米帶結構并不是規(guī)則的直線型，因此，當進一步進行450℃的退火操作時，石墨烯納米帶并沒有繼續(xù)變寬形成更寬的納米帶，而是聚合形成納米孔結構的石墨烯。

研究表明，這種納米孔石墨烯孔徑可達到1 nm尺度，高度各向異性的能帶寬度達到1 eV。值得一提的是，這種半導體化的納米孔石墨烯具有大面積的導電晶疇區(qū)域，基于此制備的晶體管具有高開關比和約75%的電學測試收率。

總之，這項研究為半導體化石墨烯的精確合成提供了全新的方向，在分離、傳感、DNA測序等領域將帶來更多的機遇

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