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象，如量子電導、庫侖阻塞和拉廷格液體行為，為探索強關聯物理提供了理想平臺。然而，傳統方法制備的石墨烯納米帶通常受到外界環境干擾，導致載流子散射加劇，器件難以展現本征量子特性。
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出優異性能：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，器件電輸運呈現周期電導峰和規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g在0.1~0.3范圍內柵極可調，為強關聯一維系統研究提供了新平臺。
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象
本研究通過原位封裝材料體系和創新的器件設計，實現了兼具高性能晶體管功能和一維強關聯量子系統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物理提供了理想材料體系。未來，通過進一步優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揮更大潛力。
相關論文發表在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計劃和國家自然科學基金的資助，對此深表感謝。
