Nano Res.│周期性“咬型”缺陷交替石墨烯纳米带的构筑与物性探测

背景介绍

石墨烯纳米带(Graphene nanoribbons, GNRs)具有很强的量子约束效应和边缘效应，作为一种新型材料，在半导体领域有着广泛的潜在应用。横向尺寸和边缘效应使得GNRs的原子级精确合成可以调控电子特性。例如，锯齿形边缘可以引入磁性，扶手椅边缘可以调节带隙。由于GNRs的边缘结构对其电子性能有很大的影响，因此纳米带的原子级精确制备是低维纳米材料研究的新课题之一。到目前为止，已经通过不同的合成方法成功制备了各种石墨烯纳米带，如表面反应、前体分子设计、原子尖端操纵、元素掺杂等边缘重建方法对调控的尝试。最近，密度泛函理论计算表明，“咬型”缺陷通过阻碍石墨烯纳米带边缘的电子跃迁，显著影响电荷传输。我们使用合理前驱体分子在石墨烯纳米带边缘引入周期性“咬型”缺陷，达到调控能带结构的目的。

研究方法

使用分子束外延技术和热退火构筑周期性“咬型缺陷”交替的石墨烯纳米带，并使用扫描探针显微镜对其进行结构表征，通过扫描隧道谱探测其电子结构，结合密度泛函理论计算印证实验结果。

成果简介

成功在石墨烯纳米带边缘引入周期性限制，在热退火过程中，可以清楚地观察到中间结构键由C-Au-C金属配位键转变为C-C键，并对脱卤反应和脱氢环化表面反应进行了表征。STS光谱结果表明，所制备新型石墨烯纳米带带隙为1.65 eV。基于密度泛函理论能带结构模拟，我们发现“咬型”缺陷的引入使带隙相较于无缺陷纳米带增大了约0.61 eV。我们的分析揭示了自下向上合成石墨烯纳米带新策略，该策略允许我们获得周期性边缘限制的纳米带，调控边缘的电子和磁性特性，在纳米电子学和自旋电子学具有潜在应用。

周期性“咬型”缺陷交替的石墨烯纳米带构筑与物性探测

课题组简介

昆明理工大学低维纳米材料真空实验室（https://www.x-mol.com/groups/LDNV）低维纳米材料真空实验室隶属于昆明理工大学材料科学与工程学院。材料学科是昆明理工大学成立较早的传统优势学科之一，ESI国际排名进入世界前1%行列，全国排名前50。

蔡金明教授，博士生导师，是国家高层次人才，云南省引进百名海外高层次人才，国内知名石墨烯专家等。课题组目前有教授2人，副教授3人，讲师1人，设备资产2000余万元，包括有UHV-MBE-LT-Qplus-SPM和UHV-MBE-Fermi-Qplus-STM，UHV-XPS，各式CVD管式炉，化学实验室，超算服务器、氦气回收液化装置等。实验室致力于低维纳米材料的制备及其物理特性研究，并开发相关应用与设备，实验室自成立以来，一直在高速发展，实验室的目标是达到该领域的国内一流、国际领先水平。

文章信息

Shijie Sun, Yurou Guan, Zhenliang Hao, Zilin Ruan, Hui Zhang, Jianchen Lu, Lei Gao, Xiaoqing Zuo & Jinming Cai^*. Energy band engineering via “Bite” defect located on N = 8 armchair graphene nanoribbons. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-3539-0.