中国科大在石墨烯纳米带研究领域取得重要进展

　　近日，我校单分子科学团队与厦门大学谭元植教授团队合作，通过表面合成方法成功制备出原子级精确的具有周期性非平面双空位孔洞的石墨烯纳米带（GNRs），证实了这种非平面双空位孔洞结构的存在对GNRs电子学性质的调控作用，并揭示了Au(111)表面台阶与表面增原子在脱氢环化过程中对降低反应能垒和增强热力学稳定性方面所起到的重要作用。相关工作以“Step-Assisted On-Surface Synthesis of Graphene Nanoribbons Embedded with Periodic Divacancies”为题发表在《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc. 2022，144, 32, 14798–14808）上。

　　GNRs电子学性质的高度可调性及其巨大的应用前景，使得其在化学和材料科学领域引起了极大的兴趣。除了通过控制条带宽度和边缘结构来实现GNRs能带调控以外，通过自下而上的表面合成法在GNRs中植入周期性孔洞纳米结构，为调控GNRs的电子学特性提供了一种新的可控方法。然而，对于诸如双空位或单空位型孔洞，由于孔洞中空间位阻的存在，使得内嵌这种非平面的周期性孔洞结构的石墨烯纳米带的制备仍十分困难。

　　本项研究中，通过设计分子前驱体，在Au(111)表面经过反式和顺式耦合，分别得到具有周期性非平面双空位孔洞结构的石墨烯纳米带和具有空腔结构的纳米石墨烯（图1a,b）。结合扫描隧道显微术、原子力显微术以及密度泛函理论计算，证实了双空位孔洞结构的存在引起了石墨烯纳米带结构的面外扭曲、能隙增加以及电子态密度的超周期调制。结合nudged elastic band (NEB)计算（图1c），解释了空间位阻对于非平面石墨烯纳米带与平面型纳米石墨烯脱氢环化反应温度的影响，以及Au(111)表面单原子台阶和表面增原子在克服脱氢环化过程中高反应能垒所起到的重要作用，为利用金属衬底表面特定结构合成其他新颖的石墨烯纳米结构提供了新思路。

　　中国科学技术大学特任副研究员尹若庭博士、博士生王佳宁、厦门大学博士生邱振林为该论文的共同第一作者。中科大王兵教授、马传许特任研究员和厦门大学谭元植教授为论文共同通讯作者，李群祥教授指导了理论计算。研究工作得到了安徽省、中国科学院、国家自然科学基金、科技创新2030等项目的支持。

　　论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c05570

图1 a：反应路径。b：产物结构的高分辨扫描探针图像。c,d：NEB反应路径与能垒计算。