结构原子级精确的石墨烯纳米带的可控制备及其电磁性质研究

Graphene nanoribbons (GNRs) host extraordinary electronic and magnetic properties due to quantum confinements and boundary conditions, holding great potential in electronics and spintronics applications. However, due to the difficulties encountered in preparing atomically precise samples, there lacks a consistent understanding of GNR electronic and magnetic properties. Recently, we found a novel way to fabricate atomically precise graphene nanoribbons by using on-surface chemical synthesis. In this project, we aim to extend this method to fabricate different types of GNRs, and systematically study their electronic and magnetic properties at atomic precision by using the state-of-the-art scanning probe microscopy techniques. Our studies are expected to clarify some debates in this field and may pave the way to realize GNR-based electronic and spintronic devices in future.

由于量子限域效应和边界效应，石墨烯纳米带表现出新颖的电磁特性，在电子学、自旋电子学等领域具有巨大的潜在应用。由于样品制备困难，纳米带的宽度、边缘结构等难以精确控制，不同的实验报道中，存在很大的偏差，另外理论和实验之间也存在诸多不符合之处。因此，如何解决样品制备方面的难题，确定石墨烯纳米带的本征物理性质，是这个方向亟需解决的问题。本项目将结合有机化学、表面化学、凝聚态物理等领域的相关技术，发展并完善一套有效的表面化学合成的方法，实现各类原子级精确的石墨烯纳米带的可控制备，调控其宽度、边缘结构及与基底的耦合作用；利用最新发展的表面探测技术，揭示纳米带本征的电子结构和磁学特性，澄清当前一些争论。我们期望通过本项目的顺利实施，为石墨烯纳米带，在电子学、自旋电子学等领域的应用奠定扎实的基础。

由于纳米石墨烯的物性与原子结构高度相关，实验上主要的难点在于制备结构原子级精确的样品。本项目结合了有机化学、表面化学、凝聚态物理等领域的相关技术，发展并完善了一套有效的表面化学合成的方法，实现10类原子级精确的石墨烯纳米带的可控制备，调控了其宽度、边缘结构及与基底的耦合作用；利用最新发展的表面探测技术，揭示了纳米带本征的电子结构和磁学特性。在项目执行期间，发表高水平论文9篇，包括1篇Nature Chemistry，2篇JACS，1篇PRL，1篇Nature Communications等文章；培养了博士后1名，博士生2名。项目按期完成了预定的任务。