Chem. Soc. Rev.: 原子级精确石墨烯纳米带:结构和电子性质的关系

石墨烯纳米带（GNRs）在纳米电子器件中的应用前景广阔，因为它们可以将石墨烯优异的电子性能与电子带隙的打开相结合——石墨烯中不存在，但晶体管应用需要。通过两步表面合成工艺，可以以原子精度制造石墨烯纳米带，从而可以精确控制宽度和边缘结构。同时，经过十年的研究，合成了具有各种结构和电子特性的石墨烯纳米带。

有鉴于此，格罗宁根大学的R. S. Koen Houtsma和Meike Stöhr等人，综述了原子精确的石墨烯纳米带的表面合成，而且还讨论了它们的电子特性最终如何与其结构相关联。

本文要点

1）总结了当前有关前体设计的见解和关键因素，而前体设计决定了最终的(电子)结构。特别关注石墨烯纳米带的电子性质，这也依赖于其宽度和边缘结构。正是这种通过微调前驱体设计来精确地改变其特性的可能性——提供大范围的可调性——引起了巨大的研究兴趣。

2）十多年来，GNR的表面合成已经产生了大量具有各种宽度和边缘结构的GNRs。通过这种方法，合成了具有各种电子特性的GNR，具有宽的带隙范围，在某些情况下甚至具有自旋特性。当前可用的GNR的带隙范围为约0.12~2.4 eV，有效载流子质量范围从0.02~0.4 m_e，新合成的GNR很可能会有助于扩展这些范围。通过原子精确掺杂可以有效地改变GNR的能带排列，这对带隙影响很小。由于GNR的电子结构与它们的宽度和边缘结构密切相关，因此也可以通过将不同物理结构的GNR结合而形成GNR异质结，这对于传统的异质结构是不可能的。GNR比其母材石墨烯具有巨大的优势，因为它们提供了仅基于其形状而对石墨烯无法实现的带隙和磁性的可调性。十年前，研究的主要重点是具有各种带隙的GNR的合成，但是现在，该领域似乎正朝着制造具有非常规边缘结构的GNR的方向发展。

3）虽然在过去十年中取得了很大进展，但仍然存在一些挑战。迄今为止，尚无法通过实验验证ZGNR和chGNR的锯齿形边缘的自旋特性。特别是，应该更多地致力于制定不同的ZGNR合成方案，因为迄今为止只实验获得了一种ZGNR。由于利用最常用的基于Ullmann-type偶联的表面合成策略很难合成这些ZGNRs和chGNRs，考虑其他的表面反应或它们的组合将是有利的。为此，可以借鉴一维和二维结构表面合成的知识。

参考文献：

R. S. Koen Houtsma et al. Atomically precise graphene nanoribbons: interplay of structural and electronic properties. Chem. Soc. Rev., 2021.

DOI: 10.1039/D0CS01541E

https://doi.org/10.1039/D0CS01541E