物質學院于平課題組與聯合團隊表面合成拓撲雜環石墨烯納米帶

ON2024-03-12CATEGORY科研進展

近日,上??萍即髮W物質科學與技術學院于平課題組與李剛課題組、甄家勁課題組、楊波課題組合作,在金表面上成功合成了五元環周期性摻雜的凹槽(Cove)型拓撲石墨烯納米帶。該研究發表于國際化學期刊《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society, JACS)。

 


石墨烯納米帶(GNRs)因其電子特性的可調控性在納米電子器件中具有廣泛應用潛力。凹槽型石墨烯納米帶(C-GNR)作為其中重要的一類,可展現出非平庸的拓撲性質。理論預測,其拓撲相位由凹槽的位置和納米帶的寬度所決定,通過Su-Schrieffer-Heeger(SSH)模型可以很好地描述其電子結構。

由于缺乏合成策略及前驅體的設計,很難在鋸齒型石墨烯納米帶的兩邊周期性摻入凹槽(除去C-H基團)以實現拓撲性質,目前只有極少數的個例C-GNR的實驗合成被公開報道,且均僅展現出了平庸的半導體性質。因此,制造拓撲的C-GNR不僅充滿挑戰性,更具有重要意義。

為應對這一挑戰,研究團隊利用三角烯單元,在金表面上通過烏爾曼偶聯及分子內和分子間的脫氫環化反應,成功合成出一種五元環摻雜的準凹槽型石墨烯納米帶(C-5-GNR),通過周期性地將五元環引入凹槽型兩邊,最終實現了其拓撲非平庸的電子結構。在低溫超高真空環境下通過掃描隧道顯微鏡(STM)和非接觸式原子力顯微鏡(nc-AFM)精確表征了其化學結構(圖1),并進一步分析了其表面合成反應路徑。

 

1.C-5-GNR的表面合成路徑和化學結構表征。


結合掃描隧道譜學(STS)技術以及密度泛函理論(DFT)計算,研究團隊表征了C-5-Segn片段的低能電子結構,發現其反鐵磁耦合強度展現出隨納米帶長度增加而衰減的依賴性。


2.C-5-Segn的化學與電子結構表征。


研究團隊還表征了準一維的C-5-GNR的化學和電子結構,發現其電子結構符合SSH模型的描述,并通過Zak相的計算驗證了其非平庸的拓撲相。

 

3.準一維C-5-GNR冠狀六角烯的化學與電子結構表征。

 

以上結果有望為設計具有所需非平庸拓撲特性的C-GNR提供新思路,助力探索其在量子信息技術領域的應用前景。

上??萍即髮W是本研究的唯一完成單位。物質學院的交叉科研團隊跨物理、化學、材料等不同領域,其良好的協同合作促成了本次原創成果的產生。上科大物質學院于平課題組2021級博士研究生朱勖劼、甄家勁課題組2020級碩士研究生李刻針為文章的共同第一作者,上??萍即髮W物質學院于平教授、李剛教授、甄家勁教授和楊波教授為共同通訊作者。

論文標題:Topological Structure Realized in Cove-Edged Graphene Nanoribbons via Incorporation of Periodic Pentagon Rings

論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c00270