天河新一代超级计算机应用成果报道——Nature发文揭示超长石墨烯纳米条带生长机制

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3月27日，Nature（《自然》）发表了上海交通大学史志文教授团队、武汉大学欧阳稳根教授团队与合作者关于超长石墨烯纳米条带在六方氮化硼层间生长机制的最新研究成果，论文题目为“Graphene Nanoribbons Grown in hBN Stacks for High-Performance Electronics”。该研究成功实现了超长、超窄、单手性石墨烯纳米带在六方氮化硼晶体层间的嵌入式生长并揭示了其微观机制，同时演示了所生长的石墨烯纳米条带可用于构建高性能场效应晶体管器件。本研究向微电子领域先进封装架构的原子制造迈出了关键一步，预计将对碳基纳米电子学领域产生重要影响。

 

 

石墨烯作为一种二维晶体，由排列在蜂窝格子中的碳原子单层组成，自2004年首次被分离以来引起了广泛关注。虽然石墨烯具有超高的载流子迁移率，但其缺乏电子带隙限制了其在电子器件中的应用。为了克服这一问题，人们开始研究石墨烯纳米带（GNRs）——维石墨烯条带，因量子约束而具有有限的带隙。然而，实际中观测到的GNR器件性能远低于理论预期，主要受到杂质效应的影响，包括晶格缺陷、应变、表面粗糙度、污染物吸附等。为了改善石墨烯基器件的性能，各种方法被提出来减少杂质效应，其中范德华封装技术被证明是最成功的一种。范德华封装是指将石墨烯嵌入到六方氮化硼（hBN）堆叠中的方法，hBN是一种原子级平坦的层状绝缘体。然而，传统的范德华封装方法通常涉及使用机械转移技术，难以控制且不适用于大规模制备。

 

针对这一问题，研究团队开发出一种全新的制备方法，实现了GNR在六方氮化硼层间的超长（亚毫米量级）、超窄（小于5纳米）和单手性生长（之字形）。此外，由于这种GNR在生长的同时就被六方氮化硼“原位封装”，其结构和性质可以免受外界环境因素和微纳加工的影响，基于此层间GNR制备的场效应晶体管展现出优异的性能：载流子迁移率达4,600cm2V–1s–1，开关比可达106，是目前在超窄GNR中所实现的最高纪录。这些出色的性能表明制备的层间GNR有望在未来的高性能碳基纳米电子器件中扮演重要的角色。

 

为揭示GNR在六方氮化硼层间的生长机制，基于前期自主开发的各向异性力场对实验体系进行了大规模分子动力学模拟，发现GNR在六方氮化硼层间滑移时呈现超滑性质（近零摩擦磨损），且相对于其他手性的GNR，之字形GNR在六方氮化硼层间滑动的摩擦力要低很多，最终导致了超长GNR的单手性生长。模拟的结果得到了第一性原理计算的支撑。本文所采用的计算与分析方法亦适用于一般的范德华层状材料体系。

 

图 石墨烯纳米条带在六方氮化硼层间的生长、性能表征以及机理分析

 

上述应用成果也得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助。国家超级计算天津中心的天河新一代超级计算机为本研究的分子动力学模拟提供了重要支撑，其稳定的计算资源，高效的计算速度以及专业的技术团队极大地加快了研究进展。

 

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07243-0