石墨烯纳米带的制备技术及应用研究现状

石墨烯具有优异的力学、电学、光学、热学等物理性质,是当前新型材料的研究热点之一,被广泛应用在导电薄膜、储能元件、药物载体以及锂电池等领域。然而,石墨烯无带隙的特点限制其更广泛的应用,因此,通过技术手段打开石墨烯带隙成为学者们亟待解决的新问题。将石墨烯制成石墨烯纳米带(Graphene nanoribbons,GNRs)是打开其带隙的可行办法。因此,本文梳理了制备GNRs的不同方法,综述了其制备原理和研究进展,并对比了其优点和不足,提出了将不同方法的优点相互结合的复合制备方法,以实现可控、高效、高质量制备GNRs,最后介绍了GNRs在高性能传感器、场效应晶体管和光电探测器领域应用的研究进展和未来发展趋势。这对GNRs进一步应用在纳米器件中有一定的指导意义。

石墨烯场效应晶体管研究进展

制备场效应晶体管的石墨烯主要分三种类型:大面积单层石墨烯、石墨烯纳米带和双层石墨烯片。文中介绍了这三类石墨烯场效应晶体管器件的研究进展和标志性成果,探讨了石墨烯对于场效应晶体管的影响。研究认为:与大面积单层石墨烯晶体管相比,由石墨烯纳米带制得的石墨烯场效应晶体管的开关比和电流密度等性能能够大幅度提升,可应用于逻辑电路;与大面积单层石墨烯和石墨烯纳米带相比,双层石墨烯晶体管具有更高的开关比,因此其实际应用的潜力最大。

石墨烯纳米带场效应管结构优化

石墨烯纳米带场效应管(graphene nanoribbon field effect transistor,GNRFET)作为后硅基时代集成电路基础器件的有力竞争者受到广泛关注。以数字电路应用为指向,基于密度泛函理论的计算仿真,对GNRFET的结构设计优化进行了研究。分析了宽度N=3m和N=3m+1(m为正整数)两系列半导体型石墨烯纳米带的传输特性,结果表明N=3m系的扶手椅型石墨烯纳米带(armchair GNR,AGNR)更适合作为晶体管的沟道。研究了掺杂对GNRFET性能的影响,得到明显n型特性,并确定了掺杂位置;探讨了沟道长度对器件的影响,得到了较大的开关电流比(约1 700)和较小的亚阈值摆幅(30～40 mV/decade)。这些优化手段有效提高了GNRFET的性能,可指导其设计和制备。

扶手椅型石墨烯纳米带场效应管的开关电流及复能带结构

基于对复能带结构的考虑,给出了扶手椅型石墨烯纳米带场效应管的量子输运计算结果,并比较了ID-VG曲线所给出的最小泄漏电流值与ID-VD曲线所给出的开电流值。对于纳米尺度下的石墨烯纳米带场效应管,为了获得最佳性能,指出在关状态下的泄漏电流与开电流之间存在某种折衷,也就是说,ID-VG曲线给出的较小/大的关状态泄漏电流可能伴随着ID-VD曲线的一个较小/大的开电流。随后利用复能带的特性对此作了解释。

基于隧穿机理的石墨烯纳米带准一维器件设计

隧穿场效应晶体管（TFET）在低功耗领域具有很好的应用前景,以优化新型准一维TFET为目的,通过数值仿真研究了以石墨烯纳米带（GNR）为沟道材料的准一维TFET以及受器件尺寸和掺杂浓度控制的器件输运特性及开态和关态电流。以能带调控理论结合局域态密度与电流谱密度间的关系为手段对隧穿效应的机理进行了详细的探讨,分析了禁带宽度、栅覆盖范围、沟道长度和源漏掺杂浓度4个变量对输运过程的影响,进而确定了其对器件性能影响的变化趋势,并总结了相应原则,得到了有利于提高驱动能力、降低静态功耗以及满足数字电路一般性要求的准一维器件的设计策略。这一研究可为基于准一维材料的TFET的设计提供参考,推动基于平面材料的新型器件的发展。

手性可控石墨烯纳米带制备成功

近日,中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员王浩敏团队关于六角氮化硼(h-BN)的研究取得新进展,首次在其表面成功制备出手性可控的石墨烯纳米带(GNR),并进行了输运性质研究。GNR是一种准一维的石墨烯纳米结构,不仅具有高迁移率和载流能力,而且由于量子限域和边缘效应,能够开启带隙。这些特性使GNR有望成为包括纳米尺度场效应晶体管、自旋电子器件等的候选材料。

上海微系统所等制备出手性可控的石墨烯纳米带

石墨烯纳米带(GNR)是一种准一维的石墨烯纳米结构,根据结构不同可表现出准金属或半导体特性。该特性取决于GNR的手性,包括宽度、晶格取向和边缘结构。根据不同的边缘结构,GNR可分为“锯齿型”(ZZ)和“扶手椅型”(AC)。GNR具有高迁移率和载流能力,且由于量子限域和边缘效应,其能够开启带隙。该特性使GNR有望成为包括纳米尺度场效应晶体管、自旋电子器件和片内互连线在内的候选材料。但在绝缘衬底表面,可控地制备具有边缘特异性的亚5纳米宽的GNR仍是难题。

石墨烯基电子学研究进展

综述了石墨烯晶体的能带结构和独特的电子性质,如双极性电场效应、单双层石墨烯效应、衬底效应、石墨烯纳米带(GNR)带隙等特殊效应的研究现状。介绍了石墨剥落技术、外延生长和化学气相淀积(CVD)等石墨烯材料的制备以及表征方法。列举了石墨烯在电子、显示、太阳电池、传感器和氢存储等方面的应用,如在石墨烯场效应管、石墨烯纳米带场效应管(SET)、石墨烯单电子晶体管、石墨烯金属晶体管、石墨烯基纳米电子机械系统(NEMS)、石墨烯分子开关以及石墨烯基高电子迁移率晶体管(HEMT)制备方面的应用。人们已经研究出不同栅长的n/p型顶栅石墨烯场效应管(GFET),并采用标准的S参数直接表征器件的高频性能。理论和实验表明,所有石墨烯纳米带场效应管(GNRFET)在室温下工作的前提是GNR的带宽尺寸小于10nm,并具有半导体场效应管的性能。

GNRFET输运特性中的负微分电阻效应研究

利用密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的数值分析方法,以均匀型和十字型两种不同类型的石墨烯纳米带作为沟道,研究了石墨烯纳米带场效应管(GNRFET)的负微分电阻效应。分析了不同类型GNRFET的端口输运性质:均匀型GNRFET具有良好的输运特性;十字型GNRFET由于中间的干破坏了原来两边缘的输运路径,其传输系数均不超过1。十字型GNRFET的输出特性具有明显的负微分电阻效应,且栅电压对此有调控作用。从传输谱的角度给出了GNRFET负微分电阻特性的理论解释和栅压调控的能量图,为微纳器件负微分电阻效应的研究提供了一定的理论依据。

纳米氧化铈掺杂菊芋桔杆芯碳材料的制备及对日落黄的检测

文章采用热解经硝酸铈浸渍的菊芋秸秆芯(Jerusalem artichoke straw,JAS)制备负载氧化铈纳米颗粒的生物碳材料,表征CeO_(2)/JAS材料的理化性质,并分析其在电化学应用方面的潜力。该材料被修饰在电解质溶液栅控石墨烯场效应晶体管(solution-gated graphene field-effect transistor,SGGT)的栅极上,在模拟的软饮料体系中完成对色素的检测,其中对日落黄的响应最好,该修饰的栅极对日落黄的检测限为300 nmol/L,灵敏度曲线斜率为29.2。一系列实验结果表明,CeO_(2)/JAS材料可以很好地提升对日落黄的检测性能。因此,该研究为其在电化学领域的应用提供了一定参考,并且对农业废弃物资源再利用与食品安全检测均具有一定的意义。

GNRFET双极特性及工作区域研究

石墨烯器件作为下一代纳米电子器件的有力竞争者受到广泛关注,但对其器件工作机理的研究尚不透彻。对石墨烯纳米带场效应晶体管(graphene nanoribbon field effect transistor,GNRFET)的双极特性进行了研究,分析了偏置电压对GNRFET转移特性和输出特性的影响,发现除已被关注到的栅电压外,源漏电压对GNRFET的双极特性亦有作用,并将两者综合考虑才能全面反映GNRFET的工作状态。在此基础上,进一步提出了工作区域的概念,将GNR-FET的工作区域划分为空穴导电区、电子导电区、转变区和截止区,为GNRFET器件的应用和电路设计提供指导。

基于新型纳米传感材料的DNA生物传感器的应用

DNA是构建纳米技术和生物传感技术新设备的良好构建体。DNA生物传感器由于具有灵敏度高、选择性好等特点,近年来获得了飞速发展。研究发现,金属纳米粒子(MNPs)、碳基纳米材料等一系列纳米材料在传感器设计中提高了电化学DNA传感器的传感性能。本文侧重介绍了场效应晶体管、石墨烯、碳纳米管等新型纳米传感材料,以及基于这些材料的DNA生物传感器的最新进展,最后展望了DNA生物传感器的应用前景。

无结场效应管——新兴的后CMOS器件研究进展

迄今为止,现有的晶体管都是基于PN结或肖特基势垒结而构建的。在未来的几年里,CMOS制造技术的进步将导致器件的沟道长度小于10nm。在这么短的距离内,为使器件能够工作,将不得不采用非常高的掺杂浓度梯度。进入纳米领域,常规CMOS器件所面临的许多问题都与PN结相关,传统的按比例缩小将不再足以继续通过制造更小的晶体管而获得器件性能的提高。半导体工业界正在努力从器件几何形状,结构以及材料方面寻求新的解决方案。文中研究了无结场效应器件制备工艺技术及其进展,这些器件包括半导体无结场效应晶体管、量子阱场效应晶体管、碳纳米管场效应晶体管、石墨烯场效应晶体管、硅烯场效应晶体管、二维半导体材料沟道场效应晶体管和真空沟道场效应管等。这些器件有可能成为适用于10nm及以下技术节点乃至按比例缩小的终极器件。

第九届纳米研究奖评选结果出炉

2022年4月7日,《纳米研究(英文版)》编辑部发布了第九届纳米研究奖评选结果。美国斯坦福大学戴宏杰院士以及佐治亚理工学院王中林院士入选。戴宏杰因在碳基纳米科学、可再生能源材料和纳米医学领域的杰出成就而获奖。戴宏杰是美国科学与艺术学院院士、美国科学院院士、中国科学院外籍院士、美国斯坦福大学化学系化学教授。他是国际公认的碳基纳米科学、可再生能源材料和纳米医学领域的领导者。他的开创性工作促进了准一维碳纳米材料的化学和物理基础研究,开辟了纳米碳材料从纳米管传感器/场效应晶体管到用于铝离子电池的石墨/石墨烯泡沫阴极、纳米医学的药物输送和光热疗法、以及用于体内成像生物系统的近红外-Ⅱ(NIR-Ⅱ)/短波红外(SWIR)探针等创造性应用。

碳基纳电子的新进展

集成电路技术进入后摩尔时代后,自下而上发展的分子电子学碳基纳电子的技术突破引起人们的高度关注。目前碳基纳电子的发展基于一维的碳纳米管和二维的石墨烯两种碳基材料。介绍了碳纳米管电子学、射频碳纳米管场效应晶体管(RF CNFET)、射频石墨烯FET(RF GFET)、GFET微波单片集成电路(MMIC)和石墨烯纳带(GNR)基逻辑电路等的发展来由和最新进展;包括碳基半导体特有的材料和工艺关键技术突破,抑制缺陷的新电路设计方法,CNFET与互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的三维(3D)集成应用,晶圆规模的石墨烯外延材料制备,洁净石墨烯材料工艺,GFET混频器、放大器、THz探测器和弹道整流器等MMIC的设计与制备,石墨烯柔性电子学,石墨烯双极基逻辑电路的设计与制备,GNR制备以及GNR基逻辑电路的设计等。综述了碳基纳电子各方面的创新点和进步点,以及总体发展态势。

成果荟萃

01光电所在太阳望远镜仪器偏振标定技术研究方面取得进展太阳风暴是空间环境灾害的源头。太阳质子事件、日冕物质抛射、耀斑爆发等剧烈太阳活动会向日地空间抛射大量的电磁辐射和粒子辐射,恶化空间环境状态,对航空航天器,电力电子设备以及地球气候、人体健康等产生重大影响。磁场是太阳风暴爆发的根本驱动力,而对太阳大气本征偏振精确测量是当前太阳磁场探测的有效手段。