石墨烯三明治結構

石墨烯在常溫下在SiO2襯底上其電子遷移率超過15000 cm2/V•s，比矽晶體高1個數量級，極有可能用于切換速度更快的新一代電子元件。但是純石墨烯本身是零能隙的半導體，不能直接作為高效的室溫場效應晶體管。如何在保持石墨烯高遷移率的同時，打開一個可控的能隙是目前石墨烯領域最重要的課題之一。

beat365官方网站納米物理研究團隊的呂勁、高政祥老師提出一種解決方案，即把石墨烯夾在平面的六角BN片之間，形成一個三明治結構。六角BN片與常用的SiO2 襯底比不存在懸挂鍵，可以減少石墨烯不規則度、自摻雜和化學活性，有利于提高石墨烯電子遷移率。另外六角BN片晶格尺寸與石墨烯基本匹配，但BN化學勢不同，當這兩種材料複合在一起，石墨烯的AB格子對稱性将受到破壞。他們發現在合适的堆疊方式下，石墨烯可以打開0.16 eV的能隙。如果對BN/石墨烯/BN複合結構加上垂直電場，能隙可以進一步提高到0.34 eV。考慮多體效應作GW修正後，能隙可增加50%以上，可以滿足實際邏輯器件的需要。通過有效質量計算，他們發現石墨烯的高遷移率在能隙打開後仍然可以維持。第一性原理量子輸運計算也顯示基于此三明治結構的雙門場效應管具有電場增強的輸運能隙，且電流開關比相比純單層石墨烯場效應管大8倍。理論上講，BN/石墨烯/BN片三明治結構是目前連續調控單層石墨烯能隙又能維持高遷移率的最有效的方法之一。相關工作發表在《Nature》子刊 《Nature Asia Materials》《自然•亞洲材料》上，http://www.nature.com/doifinder/10.1038/am.2012.10 (Ruge Quhe, Jiaxin Zheng, Guangfu Luo, Qihang Liu, Rui Qin, Jing Zhou, Dapeng Yu, Shigeru Nagase, Wai-Ning Mei, Zhengxiang Gao, and Jing Lu, “Tunable and Sizable Band Gap of Single Layer Graphene Sandwiched between Hexagonal Boron Nitride”)， 論文的并列第一作者是beat365前沿交叉學科研究院的博士生屈賀如歌，鄭家新以及日本分子科學所的羅光富博士。合作者包括beat365官方网站的俞大鵬教授，日本分子科學所的永濑茂教授，以及美國内布拉斯加大學奧馬哈分校梅維甯教授。

該課題組還發現由蜂窩狀的矽原子構成的單層矽烯（繼石墨烯之後近年來新發現的一種二維單原子晶體）可以無需借助BN夾層，直接被垂直的電場打開能隙，同時高的載流子遷移率也能夠保持，研究工作發表在納米領域頂級刊物Nano Letters 12，113（2012）上，論文第一作者倪澤遠是該課題組的本科生（現為碩士生）。

上述研究工作得到了國家重大研究計劃，教育部新世紀人才計劃，國家自然科學基金以及人工微結構和介觀物理國家重點實驗室的支持。