石墨烯三明治结构

石墨烯在常温下在SiO2衬底上其电子迁移率超过15000 cm2/V•s，比硅晶体高1个数量级，极有可能用于切换速度更快的新一代电子元件。但是纯石墨烯本身是零能隙的半导体，不能直接作为高效的室温场效应晶体管。如何在保持石墨烯高迁移率的同时，打开一个可控的能隙是目前石墨烯领域最重要的课题之一。

6163银河线路检测中心纳米物理研究团队的吕劲、高政祥老师提出一种解决方案，即把石墨烯夹在平面的六角BN片之间，形成一个三明治结构。六角BN片与常用的SiO2 衬底比不存在悬挂键，可以减少石墨烯不规则度、自掺杂和化学活性，有利于提高石墨烯电子迁移率。另外六角BN片晶格尺寸与石墨烯基本匹配，但BN化学势不同，当这两种材料复合在一起，石墨烯的AB格子对称性将受到破坏。他们发现在合适的堆叠方式下，石墨烯可以打开0.16 eV的能隙。如果对BN/石墨烯/BN复合结构加上垂直电场，能隙可以进一步提高到0.34 eV。考虑多体效应作GW修正后，能隙可增加50%以上，可以满足实际逻辑器件的需要。通过有效质量计算，他们发现石墨烯的高迁移率在能隙打开后仍然可以维持。第一性原理量子输运计算也显示基于此三明治结构的双门场效应管具有电场增强的输运能隙，且电流开关比相比纯单层石墨烯场效应管大8倍。理论上讲，BN/石墨烯/BN片三明治结构是目前连续调控单层石墨烯能隙又能维持高迁移率的最有效的方法之一。相关工作发表在《Nature》子刊 《Nature Asia Materials》《自然•亚洲材料》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”)， 论文的并列第一作者是6163银河线路检测中心前沿交叉学科研究院的博士生屈贺如歌，郑家新以及日本分子科学所的罗光富博士。合作者包括6163银河线路检测中心的俞大鹏教授，日本分子科学所的永濑茂教授，以及美国内布拉斯加大学奥马哈分校梅维宁教授。

该课题组还发现由蜂窝状的硅原子构成的单层硅烯（继石墨烯之后近年来新发现的一种二维单原子晶体）可以无需借助BN夹层，直接被垂直的电场打开能隙，同时高的载流子迁移率也能够保持，研究工作发表在纳米领域顶级刊物Nano Letters 12，113（2012）上，论文第一作者倪泽远是该课题组的本科生（现为硕士生）。

上述研究工作得到了国家重大研究计划，教育部新世纪人才计划，国家自然科学基金以及人工微结构和介观物理国家重点实验室的支持。