發布時間：2022年6月6日
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石墨烯，是一種由碳原子構成的蜂窩狀結構，具有很多獨特的物理特性，被公認為本世紀的“未來材料”和“革命性材料”。利用掃描隧道顯微鏡(STM)和非接觸原子力顯微鏡（NC-AFM）的電輸運性質表征和化學鍵分辨的能力，可以對石墨烯納米材料的本征特性進行精確調控與表征，是表面科學研究的重要手段，并有著廣泛的應用前景。
近年來，基于STM和NC-AFM技術，我校蔡金明教授團隊在石墨烯相關研究領域已經取得一系列有意義的研究成果，包括：可控制備大面積、高質量的單層多孔石墨烯（Chem. Comm., 55,10800, 2019）；石墨烯表面拓撲缺陷超結構的電學表征和調控（Chin. Phys. Lett., 38, 027201, 2021）；精準合成具有周期性咬痕缺陷的石墨烯納米帶（Nano. Res., 15, 653–658, 2022）；以及共沉積不同前驅體分子精確調控納米石墨烯的磁性基態（10.1016/j.cclet.2022.04.048）等。
近日，蔡金明教授與吉林大學陳龍教授合作，又在氮摻雜石墨烯納米帶的微觀結構表征和能帶結構調控機理方面取得了重要進展，工作以《On-Surface Synthesis of Nitrogen-Doped Graphene Nanoribbon withMultiple Substitutional Sites》為題在線發表在《Angewandte Chemie InternationalEdition》（中科院雙一區Top期刊, IF = 15.33)上。
異質原子摻雜是調控能帶結構的有效手段，其中氮原子因其電子受體特性被人們廣泛用于石墨烯納米帶的摻雜體系當中。然而，不同氮原子摻雜位點（石墨氮和吡啶氮）對石墨烯納米帶能帶結構的調控作用，目前尚未給出十分明確的機理解釋。本論文利用精準設計的氮摻雜前驅體分子，通過精確調控實驗參數，成功在Au（111）表面合成了多位點氮摻雜的石墨烯納米帶（GNRs）。由于前驅體分子吸附構型的變化，合成的GNRs中含有兩種類型的氮原子（吡啶氮和石墨氮）。通過STM和NC-AFM技術表征，對不同氮原子摻雜位點進行了精確的識別。電學性質的詳細研究證實，與本征的GNRs相比，吡啶氮會略微擴大GNR帶隙，而石墨氮會在費米能級附近引入兩個類金屬性質的缺陷態。第一性原理計算結果顯示，吡啶氮原子作用在GNR外側，其作用相當于碳原子加氫原子，故對該GNR的能帶結構影響較小；而石墨氮原子作用在GNR內部，由于它比被替換的碳原子多一個電子，對GNR的能帶結構產生本質的影響（金屬性）。這項工作通過實驗與理論結合，揭示了不同氮摻雜位點對GNRs能帶結構調控作用的本質,為石墨烯應用于半導體器件提供了更多途徑和依據。
本論文樣品制備與STM、AFM表征，以及理論計算模擬主要在昆明理工大學完成，分子由吉林大學團隊合成。昆明理工大學為論文的第一作者單位，我校蔡金明教授，盧建臣副教授和高蕾副教授，以及吉林大學陳龍教授為共同通訊作者。我校博士研究生張永，盧建臣副教授，碩士研究生李佰錦以及吉林大學博士生李陽為共同第一作者。成果得到了國家自然科學基金項目、云南省基礎研究計劃項目、中國科學院戰略先導項目和東莞市創新團隊的資助。
來源：昆明大學材料學院