上海交通大学史志文教授团队综述文章：石墨烯纳米带：现状，挑战和机遇
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Citation
Graphene nanoribbons: current status, challenges and opportunities
Shuo Lou, Bosai Lyu, Xianliang Zhou, Peiyue Shen, Jiajun Chen & Zhiwen Shi*
Quantum Frontiers 3, 3 (2024)
https://link.springer.com/article/10.1007/s44214-024-00050-8
研究背景
自2004年石墨烯发现以来，这种由单层碳原子排列成的蜂窝状材料，以其在电子学、力学和导热方面的卓越性能，成为各种应用中备受期待的材料。然而，由于石墨烯的能带结构缺乏带隙，限制了它在微电子方面的应用。石墨烯纳米带（GNR）是宽度为纳米量级的窄条带结构的石墨烯，由于其独特的性质，在纳米技术和材料科学领域引起了重大关注。GNR和原始石墨烯不同的一个显著特征是GNR的能带存在能隙。并且通过调整纳米带的宽度和边缘构型，可以精细调控其电子性质，使其呈现半导体性。石墨烯纳米带能带的可调性使其在电子器件制备的应用中具有极高的潜力，例如在晶体管、传感器甚至量子点方面都有应用的前景。鉴于此，许多工作致力于对GNR的研究。
研究进展
GNR按边缘结构通常可以分为armchair, zigzag 和手性GNR。GNR的性质高度依赖边缘结构的构型。对于armchair GNR，带隙大小和宽度成反比，带隙和宽度的关系可以被分为三类（3p + 1，3p ，3p + 2）。对于zigzag GNR，则具有独特的边缘磁性。
制备高质量的GNR样品是实现其各种应用的前提。近十几年间，许多制备GNR的方法被发展出来，这些方法可以分为两大类：自上而下法和自下而上法。自上而下法指的是通过切割石墨烯或者解锁碳纳米管制备GNR，文章中总结了几种不同的切割石墨烯和解锁碳管的方法。自下而上法的种类很多，文中介绍了代表性的金属衬底上有机分子聚合法、CVD模板法和金属纳米颗粒催化的CVD方法，并对不同方法制备的GNR的特点进行了比较。
由于GNR具有许多优异的性质，有很大的应用潜力。文章介绍了GNR在场效应晶体管，量子点器件和自旋器件三个方面的应用。GNR的电学性质，比如带隙、载流子迁移率等，很大程度受到边缘类型、边缘平整度和宽度影响。我们比较了不同方法制备的GNR作为场效应晶体管的性能，包括开关比、开态电流大小等参数。文章中还介绍了GNR作为量子点器件观察到的量子输运现象，例如库伦阻塞等。此外，zigzag GNR 由于具有边缘磁性，具有作为自旋器件的潜力。文中介绍了目前关于zigzag GNR边缘磁性的一些实验证据，并分析了目前实验上探究边缘磁性的难点。
最后，我们分析了目前GNR制备方面存在的一些不足以及器件制备上遇到的挑战。在此基础上，我们提出了在氮化硼层间直接生长GNR，即直接生长h-BN封装的GNR，并分析了这种封装的GNR在器件制备方面的优势和可能观测到的物理现象。
研究亮点
本文总结了石墨烯纳米带主流的制备方法以及石墨烯纳米带潜在的具体应用。首先，简要总结梳理了GNR的边缘类型与能带结构之间的关系。然后，概述了主要的制备GNR的方法，将其按照自上而下和自下而上的方法分类进行介绍。接下来，文章中还讨论了GNR在场效应晶体管、量子点器件和自旋电子器件领域的应用进展。最后，简要讨论了石墨烯纳米带这个迅速发展的领域中存在的挑战和机遇。
图文导读
作者简介
第一作者
娄硕 博士研究生
上海交通大学物理与天文学院
通讯作者
史志文 教授
上海交通大学物理与天文学院
主要研究方向
从事实验凝聚态物理研究，研究领域涉及低维材料与器件、近场光学、激光光谱学、电输运、扫描探针显微表征等方面，重点运用自主搭建的扫描近场光学显微镜研究纳米尺度上低维量子材料与光的相互作用。
主要研究成果
已在石墨烯、碳纳米管和六方氮化硼等低维材料的研究中取得了多项原创性成果，在Nature、Science、Nature Physics、Nature Photonics、Nature Materials、Nano Letters、Advanced Materials等一流学术期刊上发表论文70余篇，其中ESI高被引论文11篇，论文总引用8000余次，研究成果得到国际同行的高度评价和广泛认可。
Email: zwshi@sjtu.edu.cn
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