In this letter, we report a pilot study on epitaxy of monolayer graphene nanoribbons (GNRs) on hexagonal boron nitride (h-BN). We found that GNRs grow preferentially from the atomic steps of h-BN, forming in-plane heterostructures. GNRs with well-defined widths ranging from ∼15 nm to ∼150 nm can be obtained reliably. As-grown GNRs on h-BN have high quality with a carrier mobility of ∼20 000 cm2 V−1 s−1 for ∼100-nm-wide GNRs at a temperature of 1.7 K. Besides, a moiré pattern induced quasi-one-dimensional superlattice with a periodicity of ∼15 nm for GNR/h-BN was also observed, indicating zero crystallographic twisting angle between GNRs and h-BN substrate. The superlattice induced band structure modification is confirmed by our transport results. These epitaxial GNRs/h-BN with clean surfaces/interfaces and tailored widths provide an ideal platform for high-performance GNR devices.

1.
K.
Nakada
,
M.
Fujita
,
G.
Dresselhaus
, and
M. S.
Dresselhaus
,
Phys. Rev. B
54
,
17954
(
1996
).
2.
Y. W.
Son
,
M. L.
Cohen
, and
S. G.
Louie
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
216803
(
2006
).
3.
S. Y.
Woo
,
M. L.
Cohen
, and
S. G.
Louie
,
Nature
444
,
347
(
2006
).
4.
B.
Trauzettel
,
D. V.
Bulaev
,
D.
Loss
, and
G.
Burkard
,
Nat. Phys.
3
,
192
(
2007
).
5.
V.
Barone
,
O.
Hod
, and
G. E.
Scuseria
,
Nano Lett.
6
,
2748
(
2006
).
6.
M. Y.
Han
,
B.
Oezyilmaz
,
Y.
Zhang
, and
P.
Kim
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
206805
(
2007
).
7.
J.
Baringhaus
,
M.
Ruan
,
F.
Edler
,
A.
Tejeda
,
M.
Sicot
,
A. T.
Ibrahimi
,
A. P.
Li
,
Z.
Jiang
,
E. H.
Conrad
,
C.
Berger
,
C.
Tegenkamp
, and
W. A.
de Heer
,
Nature
506
,
349
(
2014
).
8.
G. Z.
Magda
,
X.
Jin
,
I.
Hagymasi
,
P.
Vancso
,
Z.
Osvath
,
P. N.
Incze
,
C.
Hwang
,
L. P.
Biro
, and
L.
Tapaszto
,
Nature
514
,
608
(
2014
).
9.
L.
Tapaszto
,
G.
Dobrik
,
P.
Lambin
, and
L. P.
Biro
,
Nat. Nanotechnol.
3
,
397
(
2008
).
10.
J.
Bai
,
X.
Duan
, and
Y.
Huang
,
Nano Lett.
9
,
2083
(
2009
).
11.
R.
Yang
,
L.
Zhang
,
Y.
Wang
,
Z.
Shi
,
D.
Shi
,
H.
Gao
,
E.
Wang
, and
G.
Zhang
,
Adv. Mater.
22
,
4014
(
2010
).
12.
Z.
Shi
,
R.
Yang
,
L.
Zhang
,
Y.
Wang
,
D.
Liu
,
D.
Shi
,
E.
Wang
, and
G.
Zhang
,
Adv. Mater.
23
,
3061
(
2011
).
13.
G.
Xie
,
Z.
Shi
,
R.
Yang
,
D.
Liu
,
W.
Yang
,
M.
Cheng
,
D.
Wang
,
D.
Shi
, and
G.
Zhang
,
Nano. Lett.
12
,
4642
(
2012
).
14.
L.
Jiao
,
L.
Zhang
,
X.
Wang
,
G.
Diankov
, and
H.
Dai
,
Nature
458
,
877
(
2009
).
15.
X.
Li
,
X.
Wang
,
L.
Zhang
,
S.
Lee
, and
H.
Dai
,
Science
319
,
1229
(
2008
).
16.
Z.
Liu
,
L. L.
Ma
,
G.
Shi
,
Z.
Wu
,
Y. J.
Gong
,
S. D.
Lei
,
X. B.
Yang
,
J. G.
Zhang
,
J. J.
Yu
,
K. P.
Hackenberg
,
A.
Babakhani
,
J. C.
Idrobo
,
R.
Vajtai
,
L.
Jun
, and
P. M.
Ajayan
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
119
(
2013
).
17.
M.
Sprinkle
,
M.
Ruan
,
Y.
Hu
,
J.
Hankinson
,
M.
Rubio-Roy
,
B.
Zhang
,
X.
Wu
,
C.
Berger
, and
W. A.
de Heer
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
727
(
2010
).
18.
T.
Kato
and
R.
Hatakeyama
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
651
(
2012
).
19.
J.
Cai
,
P.
Ruffieux
,
R.
Jaafar
,
M.
Bieri
,
T.
Braun
,
S.
Blankenburg
,
M.
Muoth
,
A. P.
Seitsonen
,
M.
Saleh
,
X.
Feng
,
K.
Muellen
, and
R.
Fasel
,
Nature
466
,
470
(
2010
).
20.
E. H.
Hwang
,
S.
Adam
, and
S. D.
Sarma
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
186806
(
2007
).
21.
J. H.
Chen
,
C.
Jang
,
S.
Xiao
,
M.
Ishigami
, and
M. S.
Fuhrer
,
Nat. Nanotechnol.
3
,
206
(
2008
).
22.
M.
Ishigami
,
J. H.
Chen
,
W. G.
Cullen
,
M. S.
Fuhrer
, and
E. D.
Williams
,
Nano Lett.
7
,
1643
(
2007
).
23.
S. V.
Morozov
,
K. S.
Novoselov
,
M. I.
Katsnelson
,
F.
Schedin
,
D. C.
Elias
,
J. A.
Jaszczak
, and
A. K.
Geim
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
016602
(
2008
).
24.
S.
Fratini
and
F.
Guinea
,
Phys. Rev. B
77
,
195415
(
2008
).
25.
C. R.
Dean
,
A. F.
Young
,
I.
Meric
,
C.
Lee
,
L.
Wang
,
S.
Sorgenfrei
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
P.
Kim
,
K. L.
Shepard
, and
J.
Hone
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
722
(
2010
).
26.
L.
Zhang
,
Z.
Shi
,
Y.
Wang
,
R.
Yang
,
D.
Shi
, and
G.
Zhang
,
Nano Res.
4
,
315
(
2011
).
27.
L.
Zhang
,
Z.
Shi
,
D.
Liu
,
R.
Yang
,
D.
Shi
, and
G.
Zhang
,
Nano Res.
5
,
258
(
2012
).
28.
W.
Yang
,
G.
Chen
,
Z.
Shi
,
C.
Liu
,
L.
Zhang
,
G.
Xie
,
M.
Cheng
,
D.
Wang
,
R.
Yang
,
D.
Shi
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
Y.
Yao
,
Y.
Zhang
, and
G.
Zhang
,
Nat. Mater.
12
,
792
(
2013
).
29.
L.
Zhang
,
M.
Ni
,
D.
Liu
,
D.
Shi
, and
G.
Zhang
,
J. Phys. Chem. C
116
,
26929
(
2012
).
30.
D.
Liu
,
W.
Yang
,
L.
Zhang
,
J.
Zhang
,
J.
Meng
,
R.
Yang
,
G.
Zhang
, and
D.
Shi
,
Carbon
72
,
387
(
2014
).
31.
A. C.
Ferrari
,
J. C.
Meyer
,
V.
Scardaci
,
C.
Casiraghi
,
M.
Lazzeri
,
F.
Mauri
,
S.
Piscanec
,
D.
Jiang
,
K. S.
Novoselov
,
S.
Roth
, and
A. K.
Geim
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
187401
(
2006
).
32.
D.
Graf
,
F.
Molitor
,
K.
Ensslin
,
C.
Stampfer
,
A.
Jungen
,
C.
Hierold
, and
L.
Wirtz
,
Nano Lett.
7
,
238
(
2007
).
33.
M.
Yankowitz
,
J.
Xue
,
D.
Cormode
,
J. D.
Sanchez-Yamagishi
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
P.
Jarillo-Herrero
,
P.
Jacquod
, and
B. J.
LeRoy
,
Nat. Phys.
8
,
382
(
2012
).
34.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4943940 for GNRs with different directions, surface topography of h-BN of different thickness, transport measurements of GNRs with different widths.
35.
M.
El Gemayel
,
A.
Narita
,
L. F.
Doessel
,
R. S.
Sundaram
,
A.
Kiersnowski
,
W.
Pisula
,
M. R.
Hansen
,
A. C.
Ferrari
,
E.
Orgiu
,
X.
Feng
,
K.
Muellen
, and
P.
Samor
,
Nanoscale
6
,
6301
(
2014
).
36.
L. A.
Ponomarenko
,
R. V.
Gorbachev
,
G. L.
Yu
,
D. C.
Elias
,
R.
Jalil
,
A. A.
Patel
,
A.
Mishchenko
,
A. S.
Mayorov
,
C. R.
Woods
,
J. R.
Wallbank
,
M. M.
Kruczynski
,
B. A.
Piot
,
M.
Potemski
,
I. V.
Grigorieva
,
K. S.
Novoselov
,
F.
Guinea
,
V. I.
Fal'ko
, and
A. K.
Geim
,
Nature
497
,
594
(
2013
).
37.
C. R.
Dean
,
L.
Wang
,
P.
Maher
,
C.
Forsythe
,
F.
Ghahari
,
Y.
Gao
,
J.
Katoch
,
M.
Ishigami
,
P.
Moon
,
M.
Koshino
,
T.
Taniguchi
,
K.
Watanabe
,
K. L.
Shepard
,
J.
Hone
, and
P.
Kim
,
Nature
497
,
598
(
2013
).
38.
B.
Hunt
,
J. D. S.
Yamagishi
,
A. F.
Young
,
M.
Yankowitz
,
B. J.
LeRoy
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
P.
Moon
,
M.
Koshino
,
P. J.
Herrero
, and
R. C.
Ashoori
,
Science
340
,
1427
(
2013
).
39.
Z.
Shi
,
C.
Jin
,
W.
Yang
,
L.
Ju
,
J.
Horng
,
X.
Lu
,
H. A.
Bechtel
,
M. C.
Martin
,
D.
Fu
,
J.
Wu
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
Y.
Zhang
,
X.
Bai
,
E.
Wang
,
G.
Zhang
, and
F.
Wang
,
Nat. Phys.
10
,
743
(
2014
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.