石墨烯納米帶的拓?fù)淠軒Чこ?/p>

拓?fù)浣^緣體作為一種新興材料，其在保持材料內(nèi)部絕緣的同時，又具有高度穩(wěn)固的能隙表面或界面態(tài)。雖然該領(lǐng)域的研究大多數(shù)集中在二維或三維拓?fù)浣^緣體和相關(guān)拓?fù)渚B(tài)絕緣體上，但最近理論研究已經(jīng)預(yù)測石墨烯納米帶（GNRs）中存在一維對稱保護(hù)拓?fù)湎唷Ｔ谕負(fù)湎嗟奶剿髦?，GNRs代表了一類很有前景的支架材料，因為若在橫向上限制石墨烯的某些邊緣結(jié)構(gòu)，其就會轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體。通過小分子前體的自組裝和合理設(shè)計，自下而上的GNRs合成可以對幾乎所有結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行精確的原子級調(diào)控，這使得通過摻雜劑介導(dǎo)電子親和力的變化來探索GNRs能隙與寬度關(guān)系和帶隙工程成為可能。不同類型的GNR前體沿著縱軸融合為I型和II型異質(zhì)結(jié)設(shè)計和合成的基礎(chǔ)，當(dāng)異質(zhì)結(jié)界面交叉時，GNR電子結(jié)構(gòu)會從一種GNR類型連續(xù)變化到另一種GNR型。因此，這些橫向限制的GNRs，其拓?fù)湎嘤蓪挾?、邊緣形狀和終止晶體學(xué)晶胞所決定，用Z2常量來表征（即0或1的指數(shù)，表示兩個拓?fù)漕?，類似于?zhǔn)一維孤子系統(tǒng)）。拓?fù)浞置鞯腉NRs界面具有不同Z2值，可以預(yù)測其半填充電子態(tài)和能隙內(nèi)的局部電子態(tài)，因而在原則上，其可用作材料工程中的工具。



【成果簡介】



近日，美國加州大學(xué)伯克利分校的Steven G.Louie教授、Michael F.Crommie教授和Felix R.Fischer教授（共通通訊作者）在國際著名期刊Nature發(fā)表了一篇題為“Topological band engineering of grapheme nanoribbons”的研究性文章。在該文中，研究人員報道了拓?fù)涔こ绦揎桮NR超晶格的合理設(shè)計和實驗實現(xiàn)，從而產(chǎn)生了難以獲得的電子結(jié)構(gòu)；此外，該策略還能將新的終態(tài)直接設(shè)計到一維GNR超晶格的末端。原子級精確的拓?fù)銰NR超晶格由Au（111）表面上的分子前體在超高真空條件下合成，并通過低溫掃描隧道顯微鏡（STM）和光譜學(xué)得以表征。實驗結(jié)果和第一性原理計算表明，該GNR超晶格的邊界能帶結(jié)構(gòu)（滿帶和空帶）完全由相鄰?fù)負(fù)浣缑鎽B(tài)之間的耦合所定義，這種非凡的一維拓?fù)湎酁榛陔娮油負(fù)鋵W(xué)一維材料的能帶精確調(diào)控提供了一種途徑，同時其也是一種有前景的一維量子自旋物理學(xué)研究平臺。



【圖文導(dǎo)讀】

石墨烯納米帶的拓?fù)淠軒Чこ?br>
圖一、在Au（111）上自下而上合成7/9-AGNR超晶格



(a)7-和9-AGNR特定末端的Z2常量及在7/9-AGNR異質(zhì)結(jié)界面處Z2常量的示意圖；



(b)分子前體1的合成（p-TsOH是對甲苯磺酸，AcOH是乙酸，Ac2O是乙酸酐）；



(c)分子前體1逐步熱誘導(dǎo)7/9-AGNR超晶格的面上生長示意圖；



(d)沉積在Au(111)面上分子前體1的STM形貌；



(e,f)200℃退火后，Au(111)面上的聚合物島(e)；300℃退火后，Au(111)面上完全成環(huán)的7/9-AGNR超晶格；



(g)7/9-AGNR超晶格的鍵合分辨STM圖像，其顯示了異質(zhì)結(jié)界面的鍵合結(jié)構(gòu)；所有STM數(shù)據(jù)均在T=4K時測得。

石墨烯納米帶的拓?fù)淠軒Чこ?br>
圖二、7/9-AGNR超晶格的電子結(jié)構(gòu)



(a)紅色（藍(lán)色）曲線表示7-AGNR（9-AGNR）區(qū)段上收集到的dI/dV點(diǎn)光譜數(shù)據(jù)（針尖位置由加號標(biāo)記），黑色虛線則表示裸露的Au（111）上收集到的點(diǎn)譜數(shù)據(jù)。插圖為7/9-AGNR超晶格的STM形貌圖像；



(b)圖a中A、B、C和D峰對應(yīng)電壓下獲得的恒定電流dI/dV圖；



(c)利用圖d中7/9-AGNR超晶格VB、OTB、UTB和CB能量，通過DFT計算得到的LDOS圖；



(d)通過DFT計算得到的7/9-AGNR超晶格的DOS圖。

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圖三、7/9-AGNR超晶格終態(tài)的電子結(jié)構(gòu)



(a)最常見的7/9-AGNR超晶格終端的鍵合分辨STM圖像；



(b)紅色（綠色、藍(lán)色）曲線分別表示在7/9-AGNR超晶格體內(nèi)和不同末端收集到的dI/dV點(diǎn)光譜數(shù)據(jù)，黑色虛線則表示在裸露的Au(111)面上收集的點(diǎn)光譜數(shù)據(jù)；



(c)圖b中STS的針尖位置對應(yīng)的STM形貌（用加號標(biāo)記），實驗dI/dV圖與不同終態(tài)相應(yīng)的理論LDOS對比：分別為與終態(tài)3、UTB、終態(tài)2、OTB和終態(tài)1。

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圖四、7/9-AGNR超晶格中的拓?fù)淠軒?br>


(a)7/9-AGNR超晶格的線框圖示，圖上為單個孤立的界面態(tài)的疊加電荷密度，箭頭表示通過不同AGNR段耦合界面態(tài)的跳躍幅度；



(b)OTB最大值和UTB最小值的DFT-LDA波函數(shù)由相鄰界面態(tài)波函數(shù)的成鍵和反鍵線性組合而成，其中波函數(shù)繪制在GNR原子平面上方1?的平面中，以證明鍵合對稱性；



(c)黑色實線表示了7/9-AGNR超晶格獨(dú)立的DFT-LDA能帶結(jié)構(gòu)，而紅色虛線則表示與DFT OTB和UTB的緊密結(jié)合。



【小結(jié)】



在該文中，研究人員已經(jīng)證明通過精心設(shè)計用于自下而上合成中使用的分子前體，可以合理地設(shè)計局部和全局GNR電子拓?fù)鋵W(xué)，此外，這種方法還能用于在GNR體內(nèi)以及GNR/真空終止區(qū)域中設(shè)計拓?fù)浣缑鎽B(tài)。拓?fù)浣缑鎽B(tài)的超晶格允許形成新的體邊界能帶（OTB和UTB），其在能量上不同于與母體7-和9-AGNR。原則上，這些拓?fù)湔T導(dǎo)帶的性質(zhì)可以通過保留拓?fù)涑Ц竦牟糠纸M分來精細(xì)調(diào)控，并且可以在每個具有強(qiáng)大自旋中心的7/9-AGNR內(nèi)部界面上產(chǎn)生有效的反鐵磁性海森堡自旋1/2鏈。如果將其放置在超導(dǎo)體附近，預(yù)計這些反鐵磁鏈的末端將承載Majorana費(fèi)米子態(tài)。