利用分子自组装表面限域反应构筑新型二维碳材料

This project intends to use self-assembled molecular system as a template to fabricate new two-dimensional carbon materials with excellent physical and chemical properties by confined chemical reactions. Firstly, we will investigate the self-assembly and the confined reactions of the aromatic hydrocarbon on two dimensional (2D) surface with the aid of ultrahigh vacuum in-situ scanning probe technology, which would be an efficient solution for exploring the elementary reactions steps and the reactions mechanism. Moreover, we will investigate the relationship between the atomic structures and the optical/band structures of the new 2D materials by spectrum technology. Finally, we will explore new methods for preparing the new carbon material to realize the fabrication of uniform, seamless graphyne 2D structures by controlling the limited coupling reactions of alkyne.

该项目拟利用分子自组装体系为模板，通过二维限域化学反应构筑具有优异物理化学性质的新型二维碳材料。首先，利用原位扫描探针技术研究超高真空体系内碳基前驱体分子的二维自组装和定位化学反应，探索反应基元步骤和反应机理；然后，利用扫描隧道谱及光谱技术研究新型二维碳材料的物理化学特性，建立二维原子结构与光电性能、能带结构的关联；最后，探索新型碳材料石墨炔的表面制备新方法，通过调控富炔分子定点偶联反应实现有序、低缺陷二维体系的构筑。

本项目着力于碳基二维新材料的设计构筑、生长机理、电子性质等关键问题的研究。我们通过表面在位化学反应的方法发展了一系列表面偶联反应，成功的实现了C=C双键，C≡C三键和双炔基团的原位构筑，从而高产率的制备了石墨炔纳米线，石墨双炔纳米环以及石墨烯纳米带等新型结构。通过结合STS，我们研究了石墨烯以及新型碳纳米材料的能带特性与结构之间的关联，获得新型碳材料的电子结构和能带结构随原子骨架结构、层厚以及与基底间耦合作用等因素的改变的演变过程。此外，我们原位追踪了表面化学反应中的反应中间体，实现了生长基元步骤的可视化，为揭示化学反应机理和路径提供了直接的手段，为进一步大规模合成石墨炔材料提供了实验依据。本项目三年的执行过程中发表研究论文10篇，含SCI收录论文9篇。