迄今为止，尽管石墨烯具有许多特殊的特性，但由于缺乏相当大的带隙，因此无法构建有效的电子和光电器件。深入的理论研究表明，大于1eV的带隙只能在亚3nm宽的石墨烯纳米带（GNRs）中实现，但真正制造这种超窄GNRs仍然是一个关键挑战。在此，本文展示了一种通过纵向解开单壁碳纳米管来合成超窄和光致发光半导体GNR的方法。 原子力显微镜揭示了解链过程，发现由此产生的2.2 nm宽GNR在685 nm处发出强烈而锐利的光致发光，证明了非常理想的半导体性质。后续光电导率测量进一步证实了1.8 eV的带隙，当激发波长短于700 nm时，会产生相当大的光电流。更重要的是，我们制造的GNR场效应晶体管(FET)，通过采用六方氮化硼封装的异质结构来实现边缘键合接触，表现出超过10⁵的高电流开/关比和 840 cm²/V s 的载流子迁移率，接近室温下半导体GNR的理论散射极限。 特别是，高度对齐的长度可达1毫米的GNR束也可以通过对模板进行预制图来实现，并且制造的GNR束FET显示出高达10⁵的高开/关比、明确定义的饱和电流和强发光特性。因此，通过这种方法生产的GNR为石墨烯电子和光电子领域的有前景的应用打开了大门。
 
 
图 1. SWCNT 的纵向解压缩。 (a) SWCNT 逐渐解压缩以形成GNR的示意图。该过程首先通过轻度氧化引入缺陷，然后进行超声处理以扩大缺陷，最后解开碳纳米管。为了消除残留的氧化位点，在惰性气氛中采用热退火 (600 ℃)。 2D和3D原子力显微镜(AFM)图像和高度分布图 a  (b) SWCNT 具有横跨纳米管的高度分布图，(c) 部分解压缩的纳米管具有沿 GNR-SWCNT 结的高度分布图，以及(d)完全解压缩 具有横跨GNR的高度剖面的纳米管。  (e) X 射线光电子能谱 (XPS) C 1s和 (f) SWCNT和GNR在热退火前后的拉曼光谱比较。  (g) GNR 的高分辨率透射电子显微镜 (TEM) 图像。
 
 
图 2. GNR的AFM、拉曼和光致发光映射。  单层 GNR 的(a) AFM、(b) 拉曼和 (c)光致发光映射。100-GNR束的(d) AFM、(e) 拉曼和 (f)光致发光映射。 1000-GNRs 簇的(g) AFM、(h) 拉曼和 (i)光致发光映射。拉曼和光致发光映射分别基于D峰(1350 cm^-1)和685 nm处的发射峰重建。(c,f,i)中的插图是光致发光光谱。
 
 
图 3. h-BN封装GNR和电气特性。 (a-f) GNR的h-BN封装和端键合接触制造工艺的示意图。  (g) 多层hBN-GNR-hBN 异质结构的光学图像。 虚线圆圈表示GNR的位置。 (h)所选GNR（左）和带有四个电极的制造装置（右）的AFM图像。 (i)测量GNR的电导率作为光激发波长的函数，标准导数作为误差线。蓝色区域表示低于电导率的最高测量暗值的值。(j) 在从0到-40 V 的各种栅极电压VG下以-10 V的步长在黑暗中记录的输出特性。 (k)在各种源漏电压 V_SD在 -0.1、-0.3 和 −0.5 V。
 
 
图 4.石墨烯束制造和表征。(a)GNR束制造过程的示意图。该工艺从普通的 SiO2/Si 衬底开始，该衬底带有通过光刻制造的图案化方形光掩模。GNR溶液滴铸在图案表面上，并且 GNR 在干燥过程中倾向于自组装以形成GNR束。最后，使用丙酮浴去除光掩模。 获得的GNR束很容易通过光学显微镜观察。(b)GNR 束的光学显微镜。 (c)具有触点的单个​​GNR束的AFM映射以及相应的 (d) 拉曼和 (e) 分别在D峰 (1350 cm^-1)和685nm处的光致发光映射。 (f) 具有-1、-3和 -5 V不同源漏电压的传输特性。 (g)在0到-40 V的各种栅极电压下记录的输出特性，步长为-5V。
  
        相关科研成果山东大学Aimin Song等于2021年发表在ACS Applied Materials & Interfaces（https://doi.org/10.1021/acsami.1c14597）上。原文：Photoluminescent Semiconducting Graphene Nanoribbons via Longitudinally Unzipping Single-Walled Carbon Nanotubes。

转自《石墨烯研究》公众号