image: 石墨烯薄膜上形成的梳状刻蚀图案 view more
Credit: @Science China Press
随着硅基晶体管的集成越来越接近工艺物理的极限，石墨烯因超高的载流子迁移率有望成为下一代主流芯片材料。但是，半金属的特质导致石墨烯基晶体管无法实现高的开关比。通过量子效应引入带隙的石墨烯纳米带，具有独特的电学特性，获得了人们的广泛关注和探究。
现如今，石墨烯纳米带的制备主要是刻蚀碳材料或模板引导的自组装。前者需要利用刻蚀剂，在刻蚀的过程中容易引入边缘缺陷。而后者则需要特殊的基底或前驱体作为模板。因此，如何简化石墨烯纳米带的制备，寻找一种高效、低成本制备方法迫在眉睫。
最近，中国科学院化学研究所的于贵课题组和清华大学的徐志平课题组合作在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）上发表研究论文（蔡乐为第一作者），通过调控化学气相沉积过程中的生长参数，直接在液态金属表面原位生长大面积、高质量的石墨烯纳米带阵列。研究表明将氢气的流速控制在一个相对微量的状态，同时选择液态金属做为催化基底，可以引入一种新型的梳状刻蚀行为来调控石墨烯的生长（见下图）。
实验发现利用梳状刻蚀控制石墨烯的生长，可以将传统的薄膜生长转化为准一维的线性生长，从而直接制备高质量、大面积的石墨烯纳米带阵列。优化生长条件，可以将石墨烯纳米带的宽度缩小至8 纳米，且长度大于3 微米。更重要的是，通过原位生长的方式，石墨烯纳米带的边缘光滑，晶格结构完整，缺陷少 （见下图）。另外, 石墨烯纳米带阵列中的每根条带的晶格排列一致。
此外，作者们还通过第一性原理计算证实了氢流速对制备石墨烯纳米带的影响，并结合实验推论出石墨烯纳米带的生长机理。
研究成果清晰的展现了通过调控氢气流量，可以不需要模板直接在液态金属表面生长大面积、高质量的石墨烯纳米带阵列。简化了其制备工艺，为石墨烯的商业化运用提供了强有力的支持。此项工作得到国家家自然科学基金委和中科院战略性先导B科技专项支持。
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文章信息：
In situ growth of large-area and self-aligned graphene nanoribbon arrays on liquid metal
https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa298
Journal
National Science Review