近日，《纳米尺度》（Nanoscale）杂志在线刊登了中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室陈令修、王浩敏等科研团队在石墨烯可控生长领域取得的重大进展，并将该成果作为封底配图文章。
石墨烯作为零带隙半金属，其边界结构对电子能带具有决定性影响。实现对石墨烯晶畴边界的精准调控，是当前纳米材料研究的前沿课题。由于缺乏系统的理论指导和具体技术方案，相关研究长期面临挑战。边界可控及条带制备不仅有助于深入理解石墨烯的基本物理性质，还为其在纳米电子器件中的应用提供了关键支撑。
本次研究在绝缘的六角氮化硼（h-BN）基体上直接生长石墨烯，通过调节碳源气体（C2H2）与催化气体（SiH4）的比例，首次实现了石墨烯晶畴边界的可控调节。研究团队成功控制了晶畴边界在扶手椅型（Armchair）和锯齿型（Zigzag）两种取向之间切换。利用与h-BN基体精确对准的石墨烯表面摩尔条纹超晶格结构，并结合原子分辨原子力显微镜（AFM）图像，实现了对边界取向的识别。基于此工艺，团队在h-BN表面单层台阶处外延生长，获得了不同取向且边界平直的石墨烯条带。
该成果为石墨烯纳米带的大规模制备及能带工程研究提供了可选择性方案，推动了微电子领域高质量石墨烯材料的应用。
近年来，上海微系统所团队围绕微电子应用的高质量石墨烯材料制备，取得了多项原创性成果，包括：氮化硼表面石墨烯形核机理（Carbon 50, 329–331（2012））、石墨烯堆垛取向识别（Scientific Reports 3, 2666（2013））、石墨烯晶畴气相催化生长（Nature Communications 6, 6499(2015)）以及石墨烯纳米带的可控制备(Nature Communications (2017, 8, 14703))。
该研究获得了科技部重大专项、中科院前瞻性重点部署项目、中科院B类先导专项及上海市科委项目的支持。合作单位包括上海科技大学、华中科技大学、中南大学和中科院上海技术物理研究所。
六角氮化硼基体上直接生长的石墨烯通过调节气源比例可以获得a）扶手椅型（Armchair）取向边界与b）锯齿型（Zigzag）取向边界
《纳米尺度》杂志Outside back cover插图
参考文献：
Carbon 50, 329–331（2012）；Scientific Reports 3, 2666（2013）；Nature Communications 6, 6499(2015)；Nature Communications (2017, 8, 14703)