上海微系统所成功实现六方氮化硼纳米带的带隙调控

六方氮化硼(hBN)是一种具有与石墨烯类似的六角网状晶格结构的宽禁带半导体，其大带隙和绝缘性质使其成为极佳的介质衬底材料，同时也限制了其在电子学和光电子学器件中更广泛的应用。与hBN片层不同，hBN纳米带(BNNR)可以通过引入空间和静电势的约束表现出可变的带隙。计算预测，横向电场可以使BNNRs带隙变窄，甚至导致其出现绝缘体-金属转变。然而，如何通过实验在BNNR上引入较高的横向电场仍然具有挑战性。
 
　　针对上述问题，近日中国科学院上海微系统与信息技术研究所王浩敏研究员课题组与南京航空航天大学张助华教授团队、中国科学院上海技术物理研究所胡伟达研究员团队联合开展研究。联合研究团队对水吸附锯齿型BNNR (zBNNR)的带隙调制进行了系统的研究。计算结果表明，吸附在zBNNR两侧的水产生了超过2 V/nm的横向等效电场，从而缩小zBNNR的带隙。通过边缘吸附水分子，研究团队首次测量了zBNNR器件的栅极调制输运和其对红外光谱的光电响应，这有利于基于hBN的光电性质的同质集成。这项研究为实现基于六方氮化硼的电子/光电子器件和电路提供了新的思路。
 
　　相关成果近日以“Water induced bandgap engineering in nanoribbons of hexagonal boron nitride”为题在线发表在期刊Advanced Materials (https://doi.org/10.1002/adma.202303198)上。
 
　　中国科学院上海微系统所陈晨博士，王慧山博士与南京航空航天大学的杭阳博士为该文章的第一作者，王浩敏研究员、张助华教授和胡伟达研究员为论文的共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金项目、中国科学院先导B类计划、国家重点研发计划、上海市科委基金与博新计划等项目资助。

图1. (a) 在hBN表面上，Zn纳米粒子蚀刻出两个平行沟槽之间的zBNNR；(b) 不同宽度BNNR的原子力显微镜(AFM)高度图像。比例尺为50 nm；(c)水分子以六方冰形式吸附在zBNNR两侧边缘的结构示意图，由此诱导产生了横向电场。

图2.(a)8 nm宽的zBNNR器件在300 K下，Vds从10 V到50 V，背栅电压Vg从-65 V到65 V下的输运曲线，开/关比超过103；(b) 不同宽度zBNNR的输运曲线；(c) 器件的场效应和光电流开/关比与zBNNR宽度的关系；(d) 在功率为35 mW的1060 nm激光照射下，两个zBNNR器件中随时间变化的光电流。它们的宽度分别为33 nm和8.5 nm。