结构可控的石墨烯纳米带的表面在位合成及其电子结构的研究

Quantum confinement effect opens the band gap of armchair graphene nanoribbons (AGNRs), making it an attractive semiconductor material for next-generation carbon-based electronics. Since the electronic structure of N-AGNRs (N refers to the number of carbon atoms across the width of the ribbon) is theoretically predicted to be determined by the subfamily of N-AGNRs (e.g. sub-families of N=3p, 3p+1 or 3p+2, p is an integer), it is therefore fundamentally important to experimentally characterize their electronic structures before it can be applied in electronics. In this project, we will synthesize several AGNRs of 3p+2 and 3p subfamilies in ultra-high vacuum conditions via on-surface synthesis. A new strategy will be developed to guide the synthesis of chiral GNRs on surfaces. The role of the substrate in the measurement of the band gap will be understood by a systematic study on the electronic structures of various metal/AGNRs systems. The achievement of this project will be of great significance for further applications of AGNRs in electronics.

量子限域效应赋予了椅型石墨烯纳米带（AGNRs）可调控的带隙，使它成为下一代碳基电子学器件的理想材料之一。由于理论上预测的石墨烯纳米带的电子结构与它的子系结构（例如宽度上碳原子数是属于3p，3p+1或者3p+2）密切相关，因此制备原子级精确的、结构可控的石墨烯纳米带并从实验上确定其相应的电子结构是进一步应用研究的基础。本项目将应用表面辅助合成技术，通过分子前驱体的设计和搭配在真空环境下制备一批具有特殊或关键结构的石墨烯纳米带（例如极窄手性石墨烯纳米带，8-AGNRs等），发展一崭新的表面手性转移合成技术。通过系统性地研究这些石墨烯纳米带在不同金属基底上的电子结构，将揭示金属基底对石墨烯纳米带带隙测量的影响，为石墨烯纳米带进一步器件化研究奠定基础。

本项目以超高真空下的扫描隧道显微镜为主要表征手段，致力于表面在位反应法合成结构可控的石墨烯纳米带。计划采用多组分分子前驱体搭配融合法制备不同系列的规整结构石墨烯纳米带，特别是目前还未有报道的宽度是8个碳原子的扶手椅型石墨烯纳米带，并利用扫描隧道谱技术表征石墨烯纳米带的电子结构。通过四年的努力，顺利地完成了本项目的核心研究内容，证实了多组分分子前驱体搭配融和法的可行性，并利用该方法首次报道了宽度为8个碳原子的3p+2系列石墨烯纳米带的表面制备（Small,2019,15,1804526），对8-AGNRs电子结构的测量表明它也是具有高带隙值的碳基半导体材料，而不是像之前理论预言的那样具有半金属特性，该结果与之前我们报道的同系列最窄的5-AGNRs的结果吻合，证实了在5-AGNRs上观察到的高带隙不是特例，是具有一致性的同系列变化规律。同时在不同的金属衬底上均成功制备了宽度是5个碳原子的扶手椅型石墨烯纳米带，并通过STS的表征探讨了基底电子耦合对电子结构测量的影响（Faraday discuss.,2017,204,297; J.Phys.Chem.C,2020, 124, 11422）。