Nature Materials: AFM表征六方氮化硼表面嵌入手性可控的石墨烯纳米带

石墨烯纳米带（GNR）是一种准一维的纳米结构。根据其特定结构手性不同，包括宽度、晶格取向和其边缘结构，可表现出准金属或半导体特性。根据不同的边缘结构，GNR主要分成“锯齿型”（ZZ）和“扶手椅型”（AC）两类。两类GNR都具有特异的电子能级态和散射性质。比如，锯齿型GNR会表现出铁磁性，而理论上扶手椅型GNR会表现出半导体性并具有可调禁带宽度。GNR的新奇电学性质，使其有望成为构筑纳米尺度场效应晶体管、自旋电子器件和面内互连线的候选材料。例如通过构建石墨烯-六方氮化硼 (h-BN) 的范德华异质堆叠或者共面结构，得到更好的化学、力学稳定性和新奇的电子特性。但在这种异质结构中对GNR的手性控制仍然是一个挑战，这首先需要有合适的方法可控地制备具有边缘特异性的GNR。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所王浩敏研究员团队近期通过在h-BN表面利用不同纳米颗粒催化刻蚀和引入硅烷进行气相催化的生长方法，实现了在h-BN纳米沟道中嵌入手性可控的GNR，得到了宽度小于5nm的ZZ型和AC型GNR，并使用了布鲁克的Dimension Icon和Multimode 原子力显微镜对纳米颗粒催化刻蚀后的h-BN纳米沟道和生长得到的GNR进行高分辨率的表征。该研究成功将手性可控的GNR集成在h-BN面内晶格中，向开发具有原子层厚度的高性能集成电路迈出重要一步，为操控和堆垛极薄的复杂纳米集成电路提供了新途径。相关成果“Towards chirality control of graphene nanoribbons embedded in hexagonal boron nitride”于2020年11月发表在Nature Materials期刊上 (https://doi.org/10.1038/s41563-020-00806-2).

Fig 1（a, c）中展示了经过Ni和Pt纳米颗粒催化刻蚀后在h-BN表面形成的纳米沟道的原子力显微镜图像，可以清楚地看到经过Ni催化刻蚀h-BN产生了与h-BN自身褶皱呈-30°，30°或90°的纳米沟槽，而经过Pt催化刻蚀的h-BN产生了与褶皱呈-60°，0°或60°的沟槽。结合在h-BN区域使用Multimode AFM测量得到的高分辨原子晶格成像结果，可以帮助判断出前种沟槽是沿ZZ型方向排布，而后种是沿AC型方向排布。

Fig 2中进一步表征纳米沟槽的细节结构，可以看到ZZ型沟槽厚度为340pm，说明仅有最上一层的h-BN被刻蚀掉。在通过气相催化的生长方法得到GNR之后，使用AFM表征了其表面形貌，得到该位置处的ZGNR宽度小于10nm。这为后面生长和调控GNR手性提供了基础。在Pt纳米颗粒催化刻蚀过的h-BN样品上，可以得到单层AC方向上的沟槽，如图Fig 3(a)所示。沟槽深度为334pm，与ZZ型沟槽结果相似。在这样的纳米沟槽限制空间中生长形成的GNR只能是单层平面结构。嵌入在AC纳米沟槽中的AGNR的宽度同样小于10 nm。

作者再在ZGNR和AGNR样品上测量，其表面非常平整，显示了单层GNR和h-BN共面生长并形成很好的平面异质结构。ZGNR相对于h-BN边缘高度仅约40pm。结合STEM表征结果，作者也验证了在GNR和h-BN过渡界面上晶格能很好地匹配，形成平整的平面异质结构。作者进一步使用生长的ZGNR和AGNR样品制备成FET器件并测试了它们的电学性质差异。使用该方法在面内集成手性可控、电学上相互分离的石墨烯纳米带，为将来构建更大规模的复杂纳米集成电路提供新的途径。

该文章中使用Bruker Dimension® Icon™和Multimode原子力显微镜来表征h-BN和GNR样品。Bruker Dimension® Icon™原子力显微镜为工业界和科研界纳米领域的研究者带来了全新的应用体验，具有高水平的性能、功能和配件选择，其测试功能强大, 操作简便易行。融合Dimension系统数十年的技术经验，广大客户反馈，结合工业领域的设备需求，Dimension Icon进行了全面革新。全新的系统设计，实现了前所未有的低漂移和低噪音水平。现在用户只需要几分钟就可获得真实准确的扫描图像。MultiMode® 测试平台作为历史悠久的经典机型，由于其卓越的分辨率与性能享誉至今。Multimode 8-HR 原子力显微镜通过高速PeakForce Tapping ®、增强的 PeakForce QNM®、全新的 FASTForce Volume和独家布鲁克探针技术，在成像速度、分辨率和纳米机械性能方面有了进一步的改进，使得综合性能显著提升。

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https://doi.org/10.1038/s41563-020-00806-2

原子力显微镜Icon和Multimode 8介绍：https://www.bruker.com/zh/products-and-solutions/microscopes/materials-afm/dimension-icon-afm.html

https://www.bruker.com/zh/products-and-solutions/microscopes/materials-afm/multimode-8-hr-afm.html