氮化硼一维结构埃纳尺度精准加工下的性能调控

Introducing one-dimensional structures such as nanoribbon in two-dimensional hexagonal boron nitride (h-BN) can modulate the electronic structure and is expected to change the conductivity. However, the experimental evidence is still absent. The key barrier is the difficulty to obtain high quality h-BN nanoribbons. Here, we propose a direct milling method to fabricate high quality h-BN nanoribbons with controllable ribbon widths and edge configurations, which uses a sub-nanometer sized focused helium ion beam offered by the newly developed helium ion microscope. Various methods such as electrical measurements and spectra characterization will be applied to investigate the transport properties and other physical behaviors of these artificial nanostructures. The influences of defects, quantum confinement and edges states will be understood, thus establishing the corresponding physical pictures. The h-BN nanostructure based nano-electronic devices will also be developed.

在二维氮化硼中引入纳米带等一维结构可以调制其能带结构，并有望引起导电性的改变。然而该理论预期至今缺乏实验验证，其关键原因是难以可控获得高质量的氮化硼纳米带。本项目拟基于氦离子显微镜所提供的亚纳米尺寸聚焦氦离子束，针对二维材料发展一种精准可控的直写刻蚀加工手段，从而实现尺寸、边缘均可控的高质量氮化硼纳米带的制备。通过电、磁输运测试及光谱表征等多种手段，深入系统地研究纳米带中缺陷、边缘态的引入及量子限域效应的存在对其导电性、输运性质与其他物理性质的影响，并建立相关的物理图像。在此基础上探讨发展基于氮化硼纳米结构的纳电子原型器件。

二维材料独特的电子结构导致其表现出丰富新颖的物理现象，从而成为当前物理学及材料科学领域的研究热点。借助高能聚焦离子束提供的亚纳米尺寸极小束斑，有望在二维材料中引入纳米尺度可控的缺陷，并实现纳米带等人工结构的精准可控裁剪制备。本项目基于这一高精准加工手段，以氮化硼为典型二维材料体系，对其物性调控行为及相应的纳米器件应用开展了深入研究，并拓展研究了其他二维材料体系，具体内容及重要成果如下：（1）探索了二维材料中离子-晶格相互作用及缺陷产生的物理机制，研究了可控缺陷引入产生的材料物性的调控行为，包括缺陷h-BN介电行为的变化、2H-MoTe2中的相变行为等。（2）针对二维材料建立了一套高精度的人工纳米结构加工手段，实现了亚10纳米尺度高质量h-BN纳米带等结构的可控制备，进一步结合激光直写辐照等手段实现跨尺度的普适性微加工手段。（3）基于上述结构、物性调控行为发展制备了多种具备不同功能特性的纳电子/光电原型器件，如h-BN阻变器件、深紫外探测器，石墨烯纳米带晶体管，In2Se3面内铁电隧道结等。项目研究成果为纳米尺度二维材料结构及器件制备发展提供了一种新的手段，并将有助于推动纳米材料的精准结构性能调控这一前沿领域的发展。项目执行期间，发表SCI收录论文5篇，申请并获授权国家发明专利1项，培养研究生10名，总体完成了研究目标。

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