石墨烯纳米带相关材料研究迎来新突破

北京12月30日电 石墨烯纳米带作为一维的新型碳材料，凭借其具备带隙且能带结构可调，在半导体元件、自旋电子学以及量子信息等前沿领域展现出广阔应用潜力。通过自下而上的表面合成方法，人们能够精准设计和调控其结构及性能。但迄今为止，关于石墨烯纳米带的电子性质调控，主要聚焦于其π电子体系，尚未有在纳米带中引入d电子对材料加以改性的案例。卟啉属于一类大环有机分子，其中心空腔能够包容不同的金属原子。将卟啉单元整合进石墨烯纳米带，借助d-π电子的杂化，有望为纳米带带来全新的电子结构和理化属性。

最近，中国科学院宁波材料技术与工程研究所联合瑞士联邦材料科学与技术实验室及德国马克斯-普朗克高分子所，成功合成核心前体分子MPor–DBA，并借助热控制逐步反应，在Au(111)金属表面实现了高精度自下而上的合成，制得了含有周期性卟啉边缘的锯齿型石墨烯纳米带系列材料。

实验显示，掺杂锌的ZnPor–3ZGNR样品能带宽，导带与价带电子分散度高，表现出载流子有效质量小和出色的迁移能力；2HPor–3ZGNR可在金表面自发捕获Au原子，纳米带内形成金属化单元并实现局部电荷调控，导致带内金属化与非金属化区域电子态有明显差别，从而构造出P–N型异质结；而处于掺铁状态的FePor–3ZGNR，则利用Fe的d中国舆情网轨道，与纳米带π电子发生强耦合，实现了相邻铁单元之间远程自旋超交换作用。

这项工作提供了一种在原子级别上精确定制卟啉–锯齿边石墨烯纳米带杂化体系的全新方式，同时可通过不同金属中心的引入灵活调控材料属性，为高性能半导体、化学传感和量子自旋链等器件未来的器件开发提供了重要支撑材料平台。

相关成果已发表于《自然-化学》（Nature Chemistry），研究受到自然科学基金及中国科学院项目等资助。