近日，上海交通大學史志文教授課題組在納米科學權威期刊《Nano Letters》上發(fā)表題為“Coulomb Blockade and Possible Luttinger Liquid Behaviors in Encapsulated High-Mobility Graphene Nanoribbons”的最新研究論文，報道了關于六方氮化硼（hBN）原位封裝石墨烯納米帶（GNRs）的室溫高性能場效應晶體管特性和低溫本征量子輸運現(xiàn)象。

石墨烯納米帶具有獨特的電子結構、可調帶隙和自旋電子學特性，成為凝聚態(tài)物理和納米電子學的研究熱點。更引人注目的是，石墨烯納米帶的一維結構特征可帶來豐富的量子輸運現(xiàn)象，如量子電導、庫侖阻塞和拉廷格液體行為，為探索強關聯(lián)物理提供了理想平臺。然而，傳統(tǒng)方法制備的石墨烯納米帶通常受到外界環(huán)境干擾，導致載流子散射加劇，器件難以展現(xiàn)本征量子特性。

圖1. 六方氮化硼原位封裝的石墨烯納米帶及其邊緣接觸器件

近年來，六方氮化硼范德華封裝技術被證明是保護低維材料、提升其電學性能的有效途徑。特別是新近發(fā)展的原位封裝生長技術，可直接在氮化硼層間中生長石墨烯納米帶，從根本上避免任何外界因素干擾，開辟了制備高質量納米帶器件新途徑。

在此基礎上，上海交通大學史志文教授課題組通過優(yōu)化器件制備工藝，制備了高性能原位封裝石墨烯納米帶器件，并系統(tǒng)研究了該器件的室溫場效應晶體管特性和低溫量子輸運性質。

主要亮點如下：

1、材料與工藝突破

采用改進的單步金屬蒸發(fā)工藝，減少接觸電阻和界面污染。六方氮化硼封裝有效抑制缺陷和聲子散射，載流子平均自由程在低溫下可達3.7μm。

2、高性能晶體管器件

通過六方氮化硼原位封裝和優(yōu)化的邊緣接觸技術，制備的石墨烯納米帶場效應晶體管在室溫下表現(xiàn)出優(yōu)異性能：遷移率高達5000cm2V?1s?1，開關比達10?，亞閾值擺幅低至約70mV/dec。短溝道器件的飽和電流接近10μA，電流密度約1750-2750μA/μm。

3、低溫量子輸運

在低溫下，器件電輸運呈現(xiàn)周期電導峰和規(guī)則的庫侖阻塞菱形結構，表明納米帶作為一個量子點，其中具有較強的電子-電子排斥作用。在調控柵極的過程中，每出現(xiàn)一個電導峰意味著該器件被注入或移走了一個電子，該器件可看做單電子輸運晶體管。

此外，在該一維材料中實驗觀測到冪律依賴和普適標度行為，證實了納米帶的拉廷格液體行為特征，其格液體液體參數(shù)g在0.1~0.3范圍內柵極可調，為強關聯(lián)一維系統(tǒng)研究提供了新平臺。

圖2. 原位封裝石墨烯納米帶器件在液氦低溫下的單電子庫侖阻塞輸運現(xiàn)象

本研究通過原位封裝材料體系和創(chuàng)新的器件設計，實現(xiàn)了兼具高性能晶體管功能和一維強關聯(lián)量子系統(tǒng)的石墨烯納米帶器件。這一成果不僅驗證了石墨烯納米帶可用于構建高性能電子器件，還為研究一維量子輸運和關聯(lián)物理提供了理想材料體系。

未來，通過進一步優(yōu)化封裝技術和接觸界面，有望在量子計算和低功耗電子器件中發(fā)揮更大潛力。相關論文發(fā)表在Nano Letters上，上海交通大學史志文教授為通訊作者，上海交通大學博士研究生沈沛約和呂博賽為文章的共同第一作者。論文合作者包括上海交通大學王國華博士、錢冬教授、梁齊教授、日本國立材料研究所Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi教授、中國科學院物理所楊威研究員和張廣宇研究員。論文的作者還包括上海交通大學博士研究生吳正瀚、王立果、張智淳、周先亮、婁碩、陳佳俊、馬賽群、謝宇烽、陳一、徐琨淇。本工作得到國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金的資助，對此深表感謝。