高质量石墨烯纳米结构的能隙调控与量子输运性质研究

Graphene nanostructures are one of the main carriers of constructing novel quantum devices. However, the lack of high-quality graphene nanostructure samples has been a key issue for the device performance improvement and has restricted its extensive application in the field of nanoelectronic devices. On this ground, the purpose of our project is to deal with the controllable fabrication of high quality graphene nanostructures on Boron Nitride substrates. We will explore the influence of Van der Waals interaction on the chemical reactivity of graphene. We plan to control the band-gap and transport properties of graphene nanostructures through size effect, contact interface, edge structure, and substrate doping. The reduced disorder degree in graphene nanostructures will improve its electron mobility and benefit for the study of intrinsic quantum transport phenomena in graphene nanostructures. Furthermore, we will use these high-quality graphene nanostructures to build high performance quantum devices. Our project is expected to establish a technical and physical foundation for the application of graphene nanostructures in future fields of integrated nanoelectronics and spintronics.

石墨烯纳米结构是构造新型量子器件的主要载体，但高质量石墨烯纳米结构样品的加工一直是制约其器件性能以及影响其纳电子器件领域广泛应用的关键问题。以此为出发点，本项目旨在开展氮化硼衬底上高质量石墨烯纳米结构的可控加工研究，探索二维原子晶体材料衬底的范德瓦尔斯相互作用力对石墨烯化学反应活性的影响，拟通过尺寸效应、接触界面、边缘结构、衬底掺杂等因素调控石墨烯纳米结构的能隙与输运性质，减少无序度对石墨烯纳米结构电子迁移率的影响，研究石墨烯纳米结构中本征的新奇量子输运现象，并利用干净无序度低的石墨烯纳米结构构筑高性能的石墨烯量子器件，为石墨烯未来开辟集成纳电子、自旋器件等领域的应用奠定技术和物理基础。

石墨烯纳米结构是构造新型量子器件的主要载体，但高质量石墨烯纳米结构样品的加工一直是制约其器件性能以及影响其纳电子器件领域广泛应用的关键问题。本项目的核心是开展氮化硼衬底上高质量石墨烯纳米结构的可控加工研究，探索二维原子晶体材料衬底的范德瓦尔斯相互作用力对石墨烯化学反应活性的影响，研究石墨烯纳米结构中本征的新奇量子输运现象，并利用干净无序度低的石墨烯纳米结构构筑高性能的石墨烯量子器件，为石墨烯未来开辟集成纳电子、自旋器件等领域的应用奠定技术和物理基础。项目开展四年来，按原定计划任务进行，在高质量石墨烯纳米结构的可控加工、石墨烯/氮化硼异质结的界面效应、石墨烯基的超短沟道器件、微波器件、量子点器件等方面开展广泛深入的研究，在加工的高质量锯齿边缘构型的石墨烯纳米带中发现了一系列和边缘拓扑结构相关新物理现象，如局域金属态、弱载流子散射、强电声子耦合等；在加工的石墨烯/氮化硼异质结构中发现了界面热致旋转效应，揭示了非公度界面滑移所造成的极低摩擦力，并实现了石墨烯与氮化硼转角的操纵与摩尔超晶格周期的调节。项目研究成果现已申请发明专利4项，实用新型专利2项，其中有4项专利已获得授权；参与编写专著的一个章节；共发表文章SCI论文17篇，其中包括Nature communication 2篇， Advance Materials 1篇，Phy. Rev. Lett. 2篇，JACS 1篇，Appl. Phys. Lett. 2篇。该项目的成果为石墨烯及其纳米结构在二维信息器件的应用领域奠定了技术基础。