中国科学技术大学王兵/马传许团队Phys. Rev. Lett.: 第二层石墨烯纳米带中的拓扑局域振动激发

2024年7月15日，Phys. Rev. Lett.在线发表了中国科学技术大学王兵教授和马传许研究员课题组的研究论文，题目为《Topologically Localized Vibronic Excitations in Second-Layer Graphene Nanoribbons》，论文的第一作者为Zhengya Wang。

自下而上合成的原子级精确石墨烯纳米带（GNRs）代表了一类新兴的设计量子材料，它可以承载可调的电子结构、拓扑界面或末端态以及磁性自旋中心，这引起了纳米电子学、光电子学、自旋电子学和量子信息科学的极大兴趣。基于GNR器件中的电荷输运在很大程度上受到电子与已建立带振动模式耦合的影响，例如电子对GNRs的振动激发。

通常，分子中的这一过程在Franck-Condon模型中进行处理，该模型假设在核坐标或动量不变的情况下发生瞬时电子跃迁。利用扫描隧道显微镜（STM），振动光谱已被广泛用于检测主要吸附在半导体或绝缘去耦层上分子体系中的电子-振动耦合，它记录了从分子基态到与正或负离子共振相关电子和振动激发态的共振转变过程中的微分电导变化。

去耦层起着关键作用，充当间隔物，延长分子瞬态带电态的寿命。由于GNRs的表面合成主要在铸币金属上进行，因此几乎不可能探测到生长GNRs中的振动激发。通过尖端辅助的精确操作和在半导体TiO₂衬底上的直接生长，实现了GNRs在绝缘NaCl岛上的后转移。即便如此，在拓扑GNRs中，对振动态的理解仍然难以捉摸，其中拓扑保护末端态的局域振动激发与之前对平庸分子前线轨道的测量不同，可以促进电子、振动和拓扑之间有趣的相互作用。

在此研究中，作者报道了自解耦第二层GNRs中拓扑末端态的振动激发的方法，这些GNRs是使用表面挤压诱导溢出策略生长的。在GNRs的第二层端部，振动级数表现出高度的空间局域化分布，这可以归因于在拓扑末端态通过共振电子隧穿使电荷的去耦寿命延长。结合理论计算，将振动级数分配给介导振动激发的特定振动模式。每个分辨激发的空间分布显示出超出传统Franck-Condon图像的明显特征。通过直接生长第二层GNRs的工作为探索本征电子、振动和拓扑性质之间的相互作用提供了一种有效的方法。

图1 (a) 第二层GNR表面合成的挤压诱导溢出策略示意图；(b-c) 7-AGNR和PolyPn的表面合成化学示意图；(d) DBBA和4BrPn连续沉积退火后的大面积STM图像；(e) 位于Au(111)台阶边缘下侧第二层7-AGNR的高分辨率STM图像；(f) 第二层和第一层7-AGNR片段边缘的dI/dV光谱

图2 (a) Au台阶附近第二层7-AGNR的高分辨率STM图像及示意图；(b) 在(a)中相应标记位置获得的dI/dV光谱；(c) 通过第二层GNR拓扑末端态(TES)的电子输运和样品正偏压下的振动激发示意图；(d) 统计振动峰位置与峰数N的关系图；(e) 在4-DBBA单元长7-AGNR中的模拟C-H、D和G振动模式

图3 (a) 近红外峰值能量242 mV时第二层7-AGNR端STM近景图像及等高dI/dV图；(b) 四单位长7-AGNR自旋极化端态的模拟波函数；(c, f) 在非弹性峰1-8和峰9-12能量处获得的等高dI/dV图；(d) dI/dV图之间的平均差值；(e, h) 考虑D、G模式和C-H模式贡献的模拟振动引起端态波函数变化

图4 (a) 另一个第二层7-AGNR的高分辨率STM图像；(b) 从End1到End2等间距采集的19个dI/dV光谱；(c) End1、End2处获得dI/dV光谱；(d) 恒流地形图和dI/dV图

论文链接

Wang, Z., Yin, R., Tang, Z. et al. Topologically Localized Vibronic Excitations in Second-Layer Graphene Nanoribbons. Phys. Rev. Lett., 2024, 133, 036401. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.036401

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