石墨烯納米帶（GNRs）作為準一維納米結(jié)構(gòu)，因其可調(diào)控的電學和磁學特性，在下一代電子學和量子計算中展現(xiàn)出巨大潛力。GNRs的帶隙依賴于其寬度和邊緣構(gòu)型，例如扶手椅型GNRs的帶隙隨寬度變化，而鋸齒型和手性構(gòu)型則具有自旋極化邊緣態(tài)。為進一步優(yōu)化GNRs的電子學特性，研究者探索了多種帶隙調(diào)控策略，包括邊緣工程、雜原子取代以及結(jié)構(gòu)修飾等。此外，在sp2雜化的碳晶格中嵌入非六元環(huán)結(jié)構(gòu)可通過引入局部子晶格缺陷來調(diào)整能帶結(jié)構(gòu)，理論預測這種方法可顯著調(diào)控GNRs 的帶隙、局域態(tài)與自旋/磁學特性。

　　然而，非六元環(huán)GNRs的合成因熱力學不穩(wěn)定性而面臨挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)自上而下方法（如光刻切割和溶液超聲）難以實現(xiàn)原子級精度。相比之下，表面合成技術通過前體分子在襯底上的化學反應（如Ullmann偶聯(lián)和環(huán)化脫氫），結(jié)合掃描隧道顯微鏡（STM）、非接觸原子力顯微鏡（nc-AFM）等先進表征手段，為原子精確構(gòu)建非六元環(huán)GNRs提供了有效途徑。本綜述總結(jié)了通過表面合成方法合成含非六元環(huán)GNRs的最新進展，重點探討了前體分子設計和反應路徑，為未來開發(fā)具有獨特電子和磁學特性的功能碳納米結(jié)構(gòu)提供指導。

　　同濟大學許維團隊系統(tǒng)綜述了近年來通過表面化學反應精準合成含非六元環(huán)GNRs的最新研究進展。作者詳細歸納了幾種典型的表面合成途徑：一是通過精心設計芳香前體分子、選擇特定取代位點和官能團，利用Ullmann偶聯(lián)結(jié)合脫氫環(huán)化反應，實現(xiàn)含四元環(huán)、五元環(huán)、八元環(huán)等GNRs結(jié)構(gòu)的精準構(gòu)筑；二是通過 [2+2] 環(huán)加成反應直接形成四元環(huán)片段；三是通過鏈間熔合反應實現(xiàn)更寬更多元的非六元環(huán)GNRs結(jié)構(gòu)；四是通過熱誘導骨架重排反應獲得傳統(tǒng)反應無法合成的新穎雜元環(huán)結(jié)構(gòu)。文中結(jié)合STM、nc-AFM和第一性原理計算（DFT），揭示了這些反應的反應路徑和各自的反應特點。研究顯示，非六元環(huán)的引入不僅顯著改變了GNRs的帶隙寬度和邊緣態(tài)分布，還可能賦予其自旋極化、拓撲態(tài)等新特性。

　　文章最后指出，目前此類反應仍受限于高溫脫氫所帶來的選擇性低和產(chǎn)率不穩(wěn)定等問題，且大多依賴金屬基底，向絕緣或半導體基底的可控合成與器件化轉(zhuǎn)移仍是重要挑戰(zhàn)。未來的研究將需在低能壘反應設計、前驅(qū)體模塊化合成和多組分異質(zhì)結(jié)構(gòu)筑方面進一步突破，以推動含非六元環(huán)GNRs在電子、自旋及量子器件領域的實際應用。

論文信息

On-Surface Precise Synthesis of Non-Hexagonal Ring-Embedded Graphene Nanoribbons

Hao Qu, Mali Zhao, Wei Xu

Chemistry – A European Journal

信息來源：WileyChem