结构精确的石墨烯纳米带（graphene nanoribbons）由于其优异的光学、电学、磁学性质，被认为可广泛应用于下一代纳米电子器件。扶手椅型石墨烯纳米带（armchair graphene nanoribbons）根据其宽度可以分为三类：N = 3p，3p + 1，3p + 2（p为整数，N代表沿宽度方向碳原子的排数），其中3p和3p + 1系列的纳米带通常展现出高的能隙，而 3p + 2系列的纳米带则具有低能隙。考虑到器件应用中存在的肖特基势垒，低能隙（< 1 eV）石墨烯纳米带的精确制备显得尤为重要。然而，由于缺乏高效可行的合成策略，特别是以溶液合成为基础的精准可控制备策略，低能隙扶手椅型石墨烯纳米带的精准合成仍然是石墨烯纳米带研究领域的核心挑战。
图1.低能隙扶手椅型石墨烯纳米带（8-AGNR）及其太赫兹光电导率
近日，英国牛津大学玛丽居里学者姚雪麟博士、德国马普高分子研究所Hai I. Wang、Klaus Müllen教授以及日本冲绳科学技术大学院大学Akimitsu Narita教授利用一种精心设计的芳基化萘前驱体分子，通过AB-型铃木偶联聚合反应和脱氢环化反应，成功制备了一种在宽度方向上具有8排碳原子的低能隙扶手椅型石墨烯纳米带（8-AGNR）。
图2. 低能隙8-AGNR的合成路线
图3. （a）聚合物P1和8-AGNR红外光谱表征以及8-AGNR理论红外光谱；（b）8-AGNR拉曼光谱表征及其理论拉曼光谱；（c）聚合物P1和8-AGNR固态核磁共振碳谱；（d）8-AGNR以及水合肼还原后8-AGNR-R紫外-可见光-近红外吸收谱；（e-h）8-AGNR在金(111)表面STM表征图
作者首先采用了多种表征手段（如红外光谱、拉曼光谱、固态核磁共振以及紫外-可见光-近红外吸收谱），并结合理论计算对所获得的8-AGNR进行了详尽的结构分析。研究结果显示8-AGNR的最大吸收波长位于近红外区，并且具有0.52 eV的低光学能隙。此外，通过与瑞士巴塞尔大学Ernst Meyer教授课题组合作，借助高真空电喷沉积法（high-vacuum electrospray deposition），将8-AGNR转移至金(111)表面。通过扫描隧道显微技术（scanning tunneling microscopy，STM），进一步证实了石墨烯纳米带的结构。太赫兹光谱技术揭示了8-AGNR在直流极限下约为 270 cm² V⁻¹ s⁻¹ 的载流子迁移率，为所报道石墨烯纳米带中的最高值。
图4. （a）光激发后8-AGNR的时间分辨太赫兹光电导动力学谱；（b）光激发2 ps后测量的8-AGNR频率分辨太赫兹光电导率。
这项研究工作提供了一种高效合成低能隙石墨烯纳米带的方法，并通过芳基化萘前驱体分子设计策略，实现了8-AGNR精准可控地合成。这不仅为未来进一步研究和探索具有金属性质石墨烯纳米带提供了新的思路，还为这一类新型低能隙纳米带在电子器件中的应用奠定了坚实的基础。
论文信息
N=8 Armchair Graphene Nanoribbons: Solution Synthesis and High Charge Carrier Mobility
Dr. Xuelin Yao, Dr. Heng Zhang, Fanmiao Kong, Dr. Antoine Hinaut, Dr. Rémy Pawlak, Prof. Dr. Masanari Okuno, Dr. Robert Graf, Dr. Peter N. Horton, Prof. Dr. Simon J. Coles, Prof. Dr. Ernst Meyer, Prof. Dr. Lapo Bogani, Prof. Dr. Mischa Bonn, Prof. Dr. Hai I. Wang, Prof. Dr. Klaus Müllen, Prof. Dr. Akimitsu Narita
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202312610
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