六方氮化硼(hBN)是一種具有與石墨烯類似的六角網(wǎng)狀晶格結(jié)構(gòu)的寬禁帶半導(dǎo)體，其大帶隙和絕緣性質(zhì)使其成為極佳的介質(zhì)襯底材料，同時也限制了其在電子學(xué)和光電子學(xué)器件中更廣泛的應(yīng)用。與hBN片層不同，hBN納米帶（BNNR）可以通過引入空間和靜電勢的約束表現(xiàn)出可變的帶隙。計算預(yù)測，橫向電場可以使BNNRs帶隙變窄，甚至導(dǎo)致其出現(xiàn)絕緣體-金屬轉(zhuǎn)變。然而，如何通過實驗在BNNR上引入較高的橫向電場仍然具有挑戰(zhàn)性。
針對上述問題，近日中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所王浩敏研究員課題組與南京航空航天大學(xué)張助華教授團隊、中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所胡偉達研究員團隊聯(lián)合開展研究。聯(lián)合研究團隊對水吸附鋸齒型BNNR (zBNNR)的帶隙調(diào)制進行了系統(tǒng)的研究。計算結(jié)果表明，吸附在zBNNR兩側(cè)的水產(chǎn)生了超過2 V/nm的橫向等效電場，從而縮小zBNNR的帶隙。通過邊緣吸附水分子，研究團隊首次測量了zBNNR器件的柵極調(diào)制輸運和其對紅外光譜的光電響應(yīng)，這有利于基于hBN的光電性質(zhì)的同質(zhì)集成。這項研究為實現(xiàn)基于六方氮化硼的電子/光電子器件和電路提供了新的思路。
相關(guān)成果近日以“Water induced bandgap engineering in nanoribbons of hexagonal boron nitride”為題在線發(fā)表在期刊Advanced Materials (https://doi.org/10.1002/adma.202303198)上。
中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所陳晨博士，王慧山博士與南京航空航天大學(xué)的杭陽博士為該文章的第一作者，王浩敏研究員、張助華教授和胡偉達研究員為論文的共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項目、中國科學(xué)院先導(dǎo)B類計劃、國家重點研發(fā)計劃、上海市科委基金與博新計劃等項目資助。
圖1. (a) 在hBN表面上，Zn納米粒子蝕刻出兩個平行溝槽之間的zBNNR；(b) 不同寬度BNNR的原子力顯微鏡(AFM)高度圖像。比例尺為50 nm；(c)水分子以六方冰形式吸附在zBNNR兩側(cè)邊緣的結(jié)構(gòu)示意圖，由此誘導(dǎo)產(chǎn)生了橫向電場。
圖2. (a) 8 nm寬的zBNNR器件在300 K下，Vds從10 V到50 V，背柵電壓Vg從-65 V到65 V下的輸運曲線，開/關(guān)比超過103；(b) 不同寬度zBNNR的輸運曲線；(c) 器件的場效應(yīng)和光電流開/關(guān)比與zBNNR寬度的關(guān)系；(d) 在功率為35 mW的1060 nm激光照射下，兩個zBNNR器件中隨時間變化的光電流。它們的寬度分別為33 nm和8.5 nm。
