Graphene nanostructures are potential building blocks for nanoelectronic and spintronic devices. However, the production of monolayer graphene nanostructures with well-defined zigzag edges remains a challenge. In this paper, we report the patterning of monolayer graphene nanostructures with zigzag edges on hexagonal boron nitride (h-BN) substrates by an anisotropic etching technique. We found that hydrogen plasma etching of monolayer graphene on h-BN is highly anisotropic due to the inert and ultra-flat nature of the h-BN surface, resulting in zigzag edge formation. The as-fabricated zigzag-edged monolayer graphene nanoribbons (Z-GNRs) with widths below 30 nm show high carrier mobility and width-dependent energy gaps at liquid helium temperature. These high quality Z-GNRs are thus ideal structures for exploring their valleytronic or spintronic properties.

1.
K.
Kim
,
J.-Y.
Choi
,
T.
Kim
,
S.-H.
Cho
, and
H.-J.
Chung
,
Nature
479
,
338
(
2011
).
2.
L.
Ponomarenko
,
F.
Schedin
,
M.
Katsnelson
,
R.
Yang
,
E.
Hill
,
K.
Novoselov
, and
A.
Geim
,
Science
320
,
356
(
2008
).
3.
T. B.
Martins
,
A. J.
da Silva
,
R. H.
Miwa
, and
A.
Fazzio
,
Nano Lett.
8
,
2293
(
2008
).
4.
Y.-W.
Son
,
M. L.
Cohen
, and
S. G.
Louie
,
Nature
444
,
347
(
2006
).
5.
A.
Rycerz
,
J.
Tworzydło
, and
C.
Beenakker
,
Nat. Phys.
3
,
172
(
2007
).
6.
W. Y.
Kim
and
K. S.
Kim
,
Nat. Nanotechnol.
3
,
408
(
2008
).
7.
S. K.
Min
,
W. Y.
Kim
,
Y.
Cho
, and
K. S.
Kim
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
162
(
2011
).
8.
G.
Konstantatos
,
M.
Badioli
,
L.
Gaudreau
,
J.
Osmond
,
M.
Bernechea
,
F. P. G.
de Arquer
,
F.
Gatti
, and
F. H.
Koppens
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
363
(
2012
).
9.
G. Z.
Magda
,
X.
Jin
,
I.
Hagymási
,
P.
Vancsó
,
Z.
Osváth
,
P.
Nemes-Incze
,
C.
Hwang
,
L. P.
Biró
, and
L.
Tapasztó
,
Nature
514
,
608
(
2014
).
10.
S.
Wang
,
L.
Talirz
,
C. A.
Pignedoli
,
X.
Feng
,
K.
Müllen
,
R.
Fasel
, and
P.
Ruffieux
,
Nat. Commun.
7
,
11507
(
2016
).
11.
J.
Cai
,
P.
Ruffieux
,
R.
Jaafar
,
M.
Bieri
,
T.
Braun
,
S.
Blankenburg
,
M.
Muoth
,
A. P.
Seitsonen
,
M.
Saleh
, and
X.
Feng
,
Nature
466
,
470
(
2010
).
12.
X.
Yang
,
X.
Dou
,
A.
Rouhanipour
,
L.
Zhi
,
H. J.
Räder
, and
K.
Müllen
,
J. Am. Chem. Soc.
130
,
4216
(
2008
).
13.
P.
Solís-Fernández
,
K.
Yoshida
,
Y.
Ogawa
,
M.
Tsuji
, and
H.
Ago
,
Adv. Mater.
25
,
6562
(
2013
).
14.
R.
Yang
,
L.
Zhang
,
Y.
Wang
,
Z.
Shi
,
D.
Shi
,
H.
Gao
,
E.
Wang
, and
G.
Zhang
,
Adv. Mater.
22
,
4014
(
2010
).
15.
Z.
Shi
,
R.
Yang
,
L.
Zhang
,
Y.
Wang
,
D.
Liu
,
D.
Shi
,
E.
Wang
, and
G.
Zhang
,
Adv. Mater.
23
,
3061
(
2011
).
16.
L.
Xie
,
L.
Jiao
, and
H.
Dai
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
14751
(
2010
).
17.
G.
Diankov
,
M.
Neumann
, and
D.
Goldhaber-Gordon
,
ACS nano
7
,
1324
(
2013
).
18.
R.
Sharma
,
J. H.
Baik
,
C. J.
Perera
, and
M. S.
Strano
,
Nano Lett.
10
,
398
(
2010
).
19.
Q. H.
Wang
,
Z.
Jin
,
K. K.
Kim
,
A. J.
Hilmer
,
G. L.
Paulus
,
C.-J.
Shih
,
M.-H.
Ham
,
J. D.
Sanchez-Yamagishi
,
K.
Watanabe
, and
T.
Taniguchi
,
Nat. Chem.
4
,
724
(
2012
).
20.
M.
Yamamoto
,
T. L.
Einstein
,
M. S.
Fuhrer
, and
W. G.
Cullen
,
ACS Nano
6
,
8335
(
2012
).
21.
S.
Wu
,
R.
Yang
,
D.
Shi
, and
G.
Zhang
,
Nanoscale
4
,
2005
(
2012
).
22.
P. J.
Zomer
,
S. P.
Dash
,
N.
Tombros
, and
B. J.
van Wees
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
232104
(
2011
).
23.
A. C.
Ferrari
,
Solid State Commun.
143
,
47
(
2007
).
24.
S.
Berciaud
,
S.
Ryu
,
L. E.
Brus
, and
T. F.
Heinz
,
Nano Lett.
9
,
346
(
2008
).
25.
J.
Martin
,
N.
Akerman
,
G.
Ulbricht
,
T.
Lohmann
,
J. v.
Smet
,
K.
Von Klitzing
, and
A.
Yacoby
,
Nat. Phys.
4
,
144
(
2008
).
26.
R.
Yang
,
S.
Wu
,
D.
Wang
,
G.
Xie
,
M.
Cheng
,
G.
Wang
,
W.
Yang
,
P.
Chen
,
D.
Shi
, and
G.
Zhang
,
Nano Res.
7
,
1449
(
2014
).
27.
M. Y.
Han
,
B.
Özyilmaz
,
Y.
Zhang
, and
P.
Kim
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
206805
(
2007
).
28.
Y.-W.
Son
,
M. L.
Cohen
, and
S. G.
Louie
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
216803
(
2006
).
29.
L.
Yang
,
C.-H.
Park
,
Y.-W.
Son
,
M. L.
Cohen
, and
S. G.
Louie
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
186801
(
2007
).
30.
Y.-W.
Tan
,
Y.
Zhang
,
K.
Bolotin
,
Y.
Zhao
,
S.
Adam
,
E.
Hwang
,
S. D.
Sarma
,
H.
Stormer
, and
P.
Kim
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
246803
(
2007
).
31.
Y.
Yang
and
R.
Murali
,
Electron Device Letters, IEEE
31
,
237
(
2010
).
32.
D.
Bischoff
,
T.
Krähenmann
,
S.
Dröscher
,
M. A.
Gruner
,
C.
Barraud
,
T.
Ihn
, and
K.
Ensslin
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
203103
(
2012
).
33.
J.
Baringhaus
,
M.
Ruan
,
F.
Edler
,
A.
Tejeda
,
M.
Sicot
,
A.
Taleb-Ibrahimi
,
A.-P.
Li
,
Z.
Jiang
,
E. H.
Conrad
, and
C.
Berger
,
Nature
506
,
349
(
2014
).
34.
X.
Wang
,
Y.
Ouyang
,
L.
Jiao
,
H.
Wang
,
L.
Xie
,
J.
Wu
,
J.
Guo
, and
H.
Dai
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
563
(
2011
).
35.
M.-W.
Lin
,
C.
Ling
,
L. A.
Agapito
,
N.
Kioussis
,
Y.
Zhang
,
M. M.-C.
Cheng
,
W. L.
Wang
,
E.
Kaxiras
, and
Z.
Zhou
,
Phys. Rev. B
84
,
125411
(
2011
).
You do not currently have access to this content.