文献club | ACS Nano | 金属基底上石墨烯纳米带的氯化物插层电子去耦和空穴掺杂

Electronic Decoupling and Hole-Doping of Graphene Nanoribbons on Metal Substrates by Chloride Intercalation

https://doi.org/10.1021/acsnano.4c00484

第一作者：Amogh Kinikar

通讯作者： Marco Di Giovannantonio,* Carlo A. Pignedoli,* and Pascal Ruffieux*

通讯地址：nanotech@surfaces Laboratory, Empa, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, Dubendorf 8600, Switzerland

背景介绍

石墨烯纳米带（GNRs）是一种具有丰富的电子特性的纳米材料，其在材料和电子科技领域具有着广泛的研究前景。GNRs的一般制备方法是通过金属表面进行催化，例如Au(111)。但是这样合成的GNRs会吸附在催化金属表面，而金属表面会对材料的电子性质产生影响，从而掩盖了材料本身的电子性质。目前较为有效的隔绝金属表面影响的方法是在材料和金属表面之间制备一层介电层，已有研究通过使用Si和I₂进行夹层处理，但这些方法都需要在高温的条件下进行，会产生不必要的副产物。在本文中作者在室温条件下在Au(111)表面形成了一层金氯化物夹层，将GNRs从金属基底电子解耦，并能使GNRs空穴掺杂，从半导体转变为准一维金属。

工作创新点

• 通过加入AuCl夹层来解耦金属表面与GNRs材料

结果与讨论

图1 7-AGNRs之下的Au₂Cl₅吸附层

图2 氯化金层的表征。

首先作者选用7-AGNRs作为模型体系，在Au(111)表面制备了7-AGNRs之后通过真空升华的方式将AuCl蒸发到Au(111)表面（图1）。可以看到在STM成像中，7-AGNRs之下有明显的连续有序条纹，说明AuCl成功插入到了7-AGNRs与Au(111)之间。nc-AFM表明7-AGNRs的结构并没有受到AuCl的影响。图1e为10mV偏压下的恒高电流图，显示在有AuCl夹层之后7-AGNRs在10mV下电子态就接近了Fermi能级，表明由于空穴掺杂，7-AGNRs呈现金属化的趋势。同时，如图2所示结合STM和DFT计算可以分辨出AuCl在Au(111)上的吸附组装结构呈现Au₂Cl₅的结构，STS测量显示Au₂Cl₅层的带隙为3.4eV，说明其为绝缘层，可以有效解耦Au(111)和7-AGNRs。

图3 短链7-AGNRs的STS测试以及DFT计算

为了研究Au₂Cl₅层对7-AGNRs的掺杂作用，作者特意合成了两种短链7-AGNRs材料（2）teranthene和（3）hexanthene，它们由于尺寸限制而具有很好的能级分离特点，并对这两种样品进行了STS测试。与在Au(111)表面的样品相比，在Au₂Cl₅上的样品LUMO和HOMO能级都有明显的上移，表明GNRs被空穴掺杂，而化学结构并没有受到影响。随后，作者通过价带的色散关系证明了7-AGNRs在Au₂Cl₅层上掺杂后的准一维金属的特性。

结论

总的来说，作者通过在Au(111)表面形成Au₂Cl₅夹层，可以在室温下实现GNRs的电子解耦和空穴掺杂。这种方法不仅保留了GNRs的化学结构，还显著改变了其电子特性，使其从半导体转变为准一维金属。