六方氮化硼(hBN)是一種具有與石墨烯類似的六角網狀晶格結構的寬禁帶半導體，其大帶隙和絕緣性質使其成為極佳的介質襯底材料，同時也限制了其在電子學和光電子學器件中更廣泛的應用。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出可變的帶隙。計算預測，橫向電場可以使BNNRs帶隙變窄，甚至導致其出現絕緣體-金屬轉變。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性。
針對上述問題，近日中國科學院上海微系統與信息技術研究所王浩敏研究員課題組與南京航空航天大學張助華教授團隊、中國科學院上海技術物理研究所胡偉達研究員團隊聯合開展研究。聯合研究團隊對水吸附鋸齒型BNNR (zBNNR)的帶隙調制進行了系統的研究。計算結果表明，吸附在zBNNR兩側的水產生了超過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器件的柵極調制輸運和其對紅外光譜的光電響應，這有利于基于hBN的光電性質的同質集成。這項研究為實現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。
相關成果近日以“Water induced bandgap engineering in nanoribbons of hexagonal boron nitride”為題在線發表在期刊Advanced Materials (https://doi.org/10.1002/adma.202303198)上。
中國科學院上海微系統所陳晨博士，王慧山博士與南京航空航天大學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基金項目、中國科學院先導B類計劃、國家重點研發計劃、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兩側邊緣的結構示意圖，由此誘導產生了橫向電場。
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/關比超過103；(b) 不同寬度zBNNR的輸運曲線；(c) 器件的場效應和光電流開/關比與zBNNR寬度的關系；(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。
