迄今為止，盡管石墨烯具有許多特殊的特性，但由于缺乏相當大的帶隙，因此無法構建有效的電子和光電器件。深入的理論研究表明，大于1eV的帶隙只能在亞3nm寬的石墨烯納米帶（GNRs）中實現，但真正制造這種超窄GNRs仍然是一個關鍵挑戰。在此，本文展示了一種通過縱向解開單壁碳納米管來合成超窄和光致發光半導體GNR的方法。 原子力顯微鏡揭示了解鏈過程，發現由此產生的2.2 nm寬GNR在685 nm處發出強烈而銳利的光致發光，證明了非常理想的半導體性質。后續光電導率測量進一步證實了1.8 eV的帶隙，當激發波長短于700 nm時，會產生相當大的光電流。更重要的是，我們制造的GNR場效應晶體管(FET)，通過采用六方氮化硼封裝的異質結構來實現邊緣鍵合接觸，表現出超過10
5的高電流開/關比和 840 cm
2/V s 的載流子遷移率，接近室溫下半導體GNR的理論散射極限。 特別是，高度對齊的長度可達1毫米的GNR束也可以通過對模板進行預制圖來實現，并且制造的GNR束FET顯示出高達10
5的高開/關比、明確定義的飽和電流和強發光特性。因此，通過這種方法生產的GNR為石墨烯電子和光電子領域的有前景的應用打開了大門。
圖 1. SWCNT 的縱向解壓縮。 (a) SWCNT 逐漸解壓縮以形成GNR的示意圖。該過程首先通過輕度氧化引入缺陷，然后進行超聲處理以擴大缺陷，最后解開碳納米管。為了消除殘留的氧化位點，在惰性氣氛中采用熱退火 (600 ℃)。 2D和3D原子力顯微鏡(AFM)圖像和高度分布圖 a (b) SWCNT 具有橫跨納米管的高度分布圖，(c) 部分解壓縮的納米管具有沿 GNR-SWCNT 結的高度分布圖，以及(d)完全解壓縮 具有橫跨GNR的高度剖面的納米管。 (e) X 射線光電子能譜 (XPS) C 1s和 (f) SWCNT和GNR在熱退火前后的拉曼光譜比較。 (g) GNR 的高分辨率透射電子顯微鏡 (TEM) 圖像。
圖 2. GNR的AFM、拉曼和光致發光映射。 單層 GNR 的(a) AFM、(b) 拉曼和 (c)光致發光映射。100-GNR束的(d) AFM、(e) 拉曼和 (f)光致發光映射。 1000-GNRs 簇的(g) AFM、(h) 拉曼和 (i)光致發光映射。拉曼和光致發光映射分別基于D峰(1350 cm
-1)和685 nm處的發射峰重建。(c,f,i)中的插圖是光致發光光譜。
圖 3. h-BN封裝GNR和電氣特性。 (a-f) GNR的h-BN封裝和端鍵合接觸制造工藝的示意圖。 (g) 多層hBN-GNR-hBN 異質結構的光學圖像。 虛線圓圈表示GNR的位置。 (h)所選GNR（左）和帶有四個電極的制造裝置（右）的AFM圖像。 (i)測量GNR的電導率作為光激發波長的函數，標準導數作為誤差線。藍色區域表示低于電導率的最高測量暗值的值。(j) 在從0到-40 V 的各種柵極電壓VG下以-10 V的步長在黑暗中記錄的輸出特性。 (k)在各種源漏電壓 V
SD在 -0.1、-0.3 和 −0.5 V。
圖 4.石墨烯束制造和表征。(a)GNR束制造過程的示意圖。該工藝從普通的 SiO2/Si 襯底開始，該襯底帶有通過光刻制造的圖案化方形光掩模。GNR溶液滴鑄在圖案表面上，并且 GNR 在干燥過程中傾向于自組裝以形成GNR束。最后，使用丙酮浴去除光掩模。 獲得的GNR束很容易通過光學顯微鏡觀察。(b)GNR 束的光學顯微鏡。 (c)具有觸點的單個??GNR束的AFM映射以及相應的 (d) 拉曼和 (e) 分別在D峰 (1350 cm
-1)和685nm處的光致發光映射。 (f) 具有-1、-3和 -5 V不同源漏電壓的傳輸特性。 (g)在0到-40 V的各種柵極電壓下記錄的輸出特性，步長為-5V。
相關科研成果山東大學Aimin Song等于2021年發表在ACS Applied Materials & Interfaces（https://doi.org/10.1021/acsami.1c14597）上。原文：Photoluminescent Semiconducting Graphene Nanoribbons via Longitudinally Unzipping Single-Walled Carbon Nanotubes。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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