《自然》：史志文团队与合作者实现氮化硼层间嵌入式生长单一手性超长石墨烯纳米带

为了提高低维材料器件的性能，人们尝试了多种方法来减少无序效应，包括：热退火、等离子体处理、原子力显微镜表面清洁、氮化硼封装、悬浮器件制备等等。迄今为止最成功的方法是六方氮化硼（hBN）封装法。氮化硼是一种原子级平整的宽带隙二维层状绝缘体。多项实验表明被封装的二维材料器件表现出超高电荷均匀性、超高载流子迁移率和亚毫米级平均自由程。然而，由于这种机械封装的效率较低，而且只能用来制备微米级尺寸的样品，因此目前仅用于科研领域，难以满足未来先进微电子产业的需要。

针对这一问题，上海交通大学史志文教授团队开发出一种全新的制备方法，实现了GNR在hBN层间的嵌入式生长，而且样品质量极高。研究发现，这种GNR具有多种优异的结构特征，包括统一的zigzag手性结构，小于5纳米的宽度，以及亚毫米量级的长度。这些结构特征主要来源于hBN层间沿zigzag方向的超润滑特性（近零摩擦损耗）。由于这种高质量GNR在生长的同时就被氮化硼“原位封装”，其结构和性质可以免受外界环境因素和微纳加工的影响，GNR场效应晶体管展现出优异的性能：载流子迁移率达4,600 cm²V^–1s^–1，开关比可达10⁶。亚阈值摆幅约100 mV dec^–1等。

在生长过程中，GNR会在生长驱动力的作用下不断嵌入到hBN层间，其中涉及GNR与hBN之间的相对滑移以及GNR和hBN的不断形变。研究人员基于前期开发的针对层状材料的计算方法，对GNR在hBN的层间滑移过程进行了精细的分子动力学模拟（图三（a-f））和第一性原理计算（图三（g））。

结果表明，施加相同大小的推力，zigzag GNR插入hBN层间的长度最大，扶手椅型（armchair） GNR次之，hBN表面上的GNR运动距离最短。进一步的机理分析发现GNR在hBN表面的滑移势能面中仅存在局域化的低能区，GNR滑动时必须越过较大的能垒，从而导致了可观的能量耗散和较大的摩擦力；而GNR在hBN层间的滑移势能面中存在连续的低能谷，沿着连续低能谷GNR可以进行近乎无摩擦的滑动。上述分析很好的解释了层间GNR的长度远大于在hBN表面上的生长结果。此外， 在沿着连续低能谷进行滑动时，armchair和zigzag GNR都会发生一定的侧向位移，而连续低能谷位置的差异使得armchair GNR发生的侧向位移显著大于zigzag GNR，且第一性原理计算结果表明armchair GNR嵌入导致的hBN在垂直方向弯曲的形变能也比zigzag GNR更大。这些结果也很好的解释了层间嵌入式生长对GNR手性的选择性。