大规模、一致性的石墨烯可控纳米制造

Graphene is a promising candidate for future nanoelectronics due to its unique structures and properties. The key issue in this filed is the controllable fabrication of large-scale and uniform graphene nanostructures. This proposal deals with the exploration of controllable graphene nanostructures fabrication techniques, studies of intrinsic physical properties of these well-defined graphene nanostructures, and development of new types of graphene nanodevices based on these structures. Key factors in controlling the graphene nanostructures include their sizes, shapes, positions, periods, and edge structures. The target of this proposal is to make several breakthroughs in controllable fabrication of graphene nanostructures. Fulfill of these missions would pave a way to future integrate graphene nanoelectronic devices and also earn us international reputation in graphene research.

石墨烯因其结构的特殊性，在未来的纳电子学器件的应用上有着巨大的潜力。石墨烯的可控纳米制造是石墨烯应用于纳电子学器件的基础也是核心问题。本项目的研究内容是探索可控的石墨烯纳米制造技术及工艺，得到包括尺寸、形状、位置、周期性、和边缘结构等方面的具有大规模、一致性、原子尺度上控制的石墨烯纳米结构，研究这些可控的纳米结构的本征物理特性和功能器件。通过本项目的实施，在石墨烯纳米可控纳米制造方面做出重要突破，为石墨烯未来走向集成电子器件等方面的应用奠定技术和物理基础，提升我国在石墨烯研究领域的水平。

本项目针对石墨烯的可控纳米制造，核心研究内容是探索可控的石墨烯纳米制造技术及工艺，得到包括尺寸、形状、位置、周期性和边缘结构等方面具有大规模、一致性、原子尺度上可控的石墨烯纳米结构，并研究这些纳米结构的本征物性和功能器件，探索纳米尺度制造过程中结构对物性的调控以及器件性能的演变规律，为石墨烯未来走向集成电子、自旋器件等方面的应用奠定技术和物理基础。项目研究成果现已申请专利5项，其中有2项专利已获得授权。共发表文章26篇，其中SCI文章24篇，包括 Nat. Mater. 1篇，Nat. Phys. 1篇， Nat. comm. 1篇， Nano Lett. 1篇，Adv. Mater. 1篇，JACS 1篇，Phy. Rev. Lett. 1篇，ACS Nano 3篇，Appl. Phys. Lett. 3篇，所有文章他引500 余次。研究成果得到国内国际学术界的认可，在国际学术会议作邀请报告14人次，国内邀请报告16人次。主要的研究成果如下：.（1）首次实现了氮化硼衬底上单层石墨烯纳米结构的可控纳米制造，并系统研究了锯齿型边缘拓扑结构的表面态对石墨烯纳米带输运性质的影响。这些单层的石墨烯纳米带，具有光滑的锯齿型边界、高的迁移率、大范围可调控的带隙，为实现石墨烯纳米带在逻辑器件中的应用打下了基础。 .（2）利用石墨烯的可控缺陷制造实现了简单高效的石墨烯纳米孔加工以及石墨烯的三维加工与全碳器件构筑，将全石墨烯器件的接触电阻降到室温下35±20 m，是目前所报道的实验结果中最好的。这种全石墨烯的器件可以极大的优化器件的性能，全面推动石墨烯的应用。.（3）首次利用无催化的直接生长方式实现了六方氮化硼上单晶、高质量、大尺度石墨烯二维超晶格结构的外延生长，并系统研究了二维超晶格结构对石墨烯能带结构的调控。首次研究了氮化硼衬底上石墨烯热致旋转效应对石墨烯超晶格周期的可控调制。该系列结果为石墨烯二维超晶格的物理研究提供了新的方法和思路。.（4）首次利用原子力探针技术对云母/水/石墨烯“三明治”纳流体系实现了数字化操控，基于这种“三明治”体系的纳流操纵可以操纵的最小水滴体积约为1.2×10-24升，比以前其他方法达到的数值提高了至少5个数量级。这种“三明治”体系的纳流系统是研究纳米尺度的水的物理和化学行为的良好载体，也为研究更小尺度化学反应等提供了简单有效的平台。