集体水分子动力学驱动的石墨烯纳米带铁电性研究

《Nature Communications》：Ferroelectricity in graphene nanoribbon devices enabled by collective water molecule dynamics

本刊编辑推荐：为解决纳米尺度系统中普遍存在的水分子集体动力学及其对新兴电子器件的影响机制不明的问题，研究人员开展了水分子动力学在石墨烯纳米带(Gr NR)器件铁电响应中作用的研究。研究通过电学传输测量和分子动力学(MD)模拟，发现水分子在氧化终止的石墨烯纳米带边缘形成团簇，其集体动力学通过分子间库仑相互作用稳定了铁电效应；双层及以上厚度的纳米带可实现温度稳定的铁电性，而单层纳米带的滞后窗口在120-400K间收缩70%。该工作为利用水动力学开发下一代铁电器件（如神经形态计算与存储器）奠定了基础。

　　

水是纳米尺度系统中无处不在的组成部分，然而其集体动力学行为以及对新兴电子器件性能的影响机制仍不甚清晰。特别是在低维材料构成的纳米电子器件中，界面吸附水分子的动态行为可能对器件的电学特性产生决定性作用。近年来，研究人员发现石墨烯纳米带（Graphene Nanoribbons, Gr NRs）的边缘吸附水分子能够诱导出铁电效应，这为开发新型存储器、神经形态计算元件等纳米电子器件提供了全新思路。然而，水分子诱导石墨烯纳米带产生铁电性的具体物理机制、边缘吸附水的场相关动力学、石墨烯层数对水分子锚定的影响、铁电效应的温度稳定性以及这些因素之间的相互作用等关键科学问题尚未得到系统阐明。这些知识空白严重制约了基于水诱导铁电效应的下一代器件的发展。

针对上述问题，由Muhammad Awais Aslam、Igor Stankovi?等研究人员组成的国际团队在《Nature Communications》上发表了题为“Ferroelectricity in graphene nanoribbon devices enabled by collective water molecule dynamics”的研究论文。该研究通过精巧的实验设计和理论模拟相结合，揭示了水分子集体动力学在稳定石墨烯纳米带铁电效应中的关键作用，并阐明了单层与多层纳米带铁电行为差异的微观机制。

为开展本研究，作者团队主要运用了几项关键技术：利用六苯并蔻（6P）有机纳米针在hBN-Gr-hBN异质结上自组装形成掩模，结合反应离子刻蚀（RIE）技术制备出平均宽度约20纳米的石墨烯纳米带阵列；通过控制RIE前体气体（O₂或SF₆）实现纳米带边缘的氧终止或氟终止；采用变温（4.2-425K）电学传输测量系统表征纳米带场效应晶体管（FET）的滞后特性；利用分子动力学（MD）模拟研究水分子在纳米带边缘的吸附构型与动力学行为。

结果

观察氧终止石墨烯纳米带中的滞后响应

研究团队首先构建了基于六方氮化硼（hBN）封装的石墨烯纳米带场效应晶体管（Gr NR FET）器件。

电学传输测量结果表明，氧终止边缘的纳米带表现出显著且稳定的滞后回线，其滞后窗口（V_H）定义为两个电荷中性点（CNP）之间的栅压差值。而氟终止的纳米带由于疏水性则表现出可忽略的滞后效应。

滞后响应的稳定性：排除电荷陷阱起源

为确认滞后效应的本征特性，研究人员进行了一系列对照实验。

通过改变栅压扫描速率（0.5-20 V·s^-1）发现V_H基本不受影响，且在4.2K低温下滞后效应依然存在，排除了热激活电荷陷阱的主导作用。真空退火（520K）后滞后窗口急剧减小，而再次暴露于环境条件（相对湿度22-26%）后滞后效应恢复，强有力地证明了水分子吸附的关键作用。

氧终止和水终止石墨烯纳米带的分子动力学模拟

分子动力学模拟揭示了单层与多层纳米带铁电行为差异的微观机制。

模拟结果显示，单层纳米带中水分子的翻转能垒约为25-40 meV，导致明显的温度依赖性滞后行为。而在双层纳米带中，水分子能在两层石墨烯的氧终止边缘间形成桥接结构，这种桥接分子促进了水分子团簇的形成，通过分子间库仑相互作用实现了集体稳定，从而产生温度无关的滞后效应。双层纳米带中的水团簇可承受高达5 V·nm^-1的电场和500K的高温而不脱附。

探究石墨烯纳米带中水分子诱导场的剩磁效应

为验证分子动力学模拟预测的显著滞后现象，研究人员通过预偏置器件后追踪无栅压条件下的漏极电流（I_D）演化，直接观察到了水分子诱导的剩磁场。

结果表明，单层纳米带器件中两种状态（"0"和"1"）的电流差在约30分钟内衰减90%，而多层（L≥2）纳米带FETs则需要约90分钟，进一步证实了多层结构中水分子团簇的稳定性更强。

讨论与结论

本研究系统阐明了水分子动力学在稳定石墨烯纳米带铁电效应中的关键作用。核心发现是水终止的单层与多层纳米带滞后窗口的温度依赖性存在本质差异：在双层及以上厚度的纳米带中，铁电响应在高达450K的温度范围内基本保持温度无关，这种稳定性源于水分子团簇的集体自稳定效应。分子动力学模拟从原子尺度揭示了这种差异的物理机制：多层纳米带中相邻层的存在使得水分子能够形成桥接结构，与氧终止边缘共同促进水团簇的形成，其集体行为导致外电场下的双稳态和诱导偶极场滞后。

该研究发现的温度无关的稳健滞后响应特性，以及水终止石墨烯纳米带中的高剩磁场，使其成为与其他二维材料构建异质结的理想候选体系。通过采用双栅架构、高k介质和制备更窄纳米带等优化策略，有望推动水开关忆阻器的发展。此外，将纳米带网络作为垂直FET配置中的电极，结合偶极场调制放置在纳米带网络上的原子级薄二维半导体，可实现可重构存储晶体管的制备。这些创新将显著增强基于水开关的存内计算和突触电路的核心功能，为未来纳米电子学和传感器应用开辟了新途径。