Nat.Mater.首个基于溶液法合成石墨烯纳米带的超净单电子晶体管！

近期，德国马普微结构与物理研究所、德累斯顿工业大学冯新亮教授团队、上海交通大学麦亦勇教授团队及牛津大学Lapo Bogani教授团队合作在Nature Materials期刊上发表了一篇题为“Exceptionally clean single-electron transistors from solutions of molecular graphene nanoribbons”的研究成果。

研究报道了利用具有优异液相分散性的石墨烯纳米带，实现了超净单电子晶体管的制备，为进一步研究液相石墨烯纳米带的自旋态和拓扑态提供了可能。此外，由于该超净单电子晶体管的构建方法简单高效，大大降低了量子电子学的研究门槛。

图2：两纳米带的光物理性质及AFM表征对比

另外，与GNR 1b被聚集猝灭的荧光光谱不同，GNR 2展现出明显的荧光光谱信号，进一步证明了刚性大基团的引入极大地改善了纳米带的π-π堆积。通过测试不同浓度GNR 2的荧光发射光谱发现，其荧光信号峰展示出强烈的浓度依赖性（图2c）。当纳米带浓度低于0.1 g L^-1时，可以在600-650 nm范围内观测到两个荧光信号峰，且强度随浓度增大而升高，在达到0.1 g L^-1时达到饱和；高于此浓度时，两荧光信号峰强度逐渐降低（图2d），这表明超过临界浓度后，GNR 2的聚集程度随着浓度增大逐渐严重。此外，原子力显微镜证据表明GNR 1a在表面上呈现纳米级聚集；而刚性大基团修饰的超长GNR 2表现出明显的“解束”，在表面上呈现单一线性结构（图2e）。

图3：单电子晶体管的量子传输表征

在实现了超长纳米带单根分散的前提下，冯新亮团队和麦亦勇团队与牛津大学的Lapo Bogani团队合作，制备了单电子晶体管以进一步探索纳米带的量子特性。单电子晶体管（SET）是一种基于库仑阻塞效应的敏感电子设备。在该器件中，电子流过源漏电极之间的隧道结，到达两个隧道结之间的量子点（导电岛）。岛的电势可以通过栅极进行调节。在搭建的SET器件中（图3a），作者通过纳米光刻技术将石墨烯电极制备在具有SiO₂层的氮掺杂硅晶片上，并通过滴涂将GNRs沉积到基底上，GNRs跨越的两个石墨烯电极之间的间隙宽度为d= 1-10 nm（图3b）。基于该器件，作者通过源极-漏极电压V_SD和栅极电压V_G来操控器件，同时测量了源极-漏极电流I_SD。在SET中，电子通过单个通道发生传输，可通过V_G调节其电势，以便电子隧穿到GNRs中。由于库仑排斥，传导通道中一个电子的存在阻碍了其它电子的通过，并且SET可以显示电导受到抑制的区域。

图3c显示了基于GNR 1a构建的SET的稳定性图。从图中可以看到电导抑制的区域呈深蓝色。在稳定性图中可以观察到模糊的库仑菱形；但是菱形是重叠的并且具有不同的大小，没有规律性。这表明由于纳米带存在严重的聚集，多条纳米带组成的“纳米带束”跨越了纳米级沟道并充当导电通道。将附加能量E_a视为矩形量子点，可以粗略估算出纳米带实际贡献的长度l。经过计算，GNR 1a的实际贡献长度为~28，33，40，50，60，90，108 nm，多个数值的存在再次证明充当导电通道的GNR 1a实际为大小不均一的聚集体状态。值得注意的是，对于GNR 1a制成的SET器件，库伦菱形中没有可以被识别的激发态。

与之形成鲜明对比的是，基于GNR 2制备的SET器件表现出超纯净的导电特性（图3d）。从SET的稳定性图中可以发现，库伦菱形大小近似，且具有显然的周期性和清晰明确的边缘，这表明此器件具有显著的单电子传输通道。并且，由平行于库伦菱形边界线的黄色亮线可以判断，GNR 2在SET中存在可被识别的激发态。

图4：纳米带的电子-振子耦合