寧波材料所在石墨烯納米帶材料開發(fā)上取得重要進展
石墨烯納米帶作為一維石墨烯材料，因其非零帶隙和可調(diào)控的能帶結(jié)構(gòu)，在半導體器件、自旋電子學及量子技術(shù)等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應用前景。通過自下而上的表面合成策略，可實現(xiàn)對其結(jié)構(gòu)的精準構(gòu)筑與性質(zhì)的精細調(diào)控。然而，目前石墨烯納米帶的電子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)調(diào)控主要依賴其π電子體系，尚未有研究成功在納米帶中引入d電子對其進行改性。卟啉作為一種大環(huán)分子，其內(nèi)部空腔可實現(xiàn)不同金屬摻雜。將卟啉結(jié)構(gòu)引入石墨烯納米帶中，有望通過d-π電子間的雜化作用，進一步調(diào)控納米帶的電子結(jié)構(gòu)與物理化學性質(zhì)。
中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所顧彥偉副研究員，聯(lián)合瑞士聯(lián)邦材料科學與技術(shù)研究所與德國馬克斯普朗克高分子研究所，率先合成了關(guān)鍵前驅(qū)體分子MPor–DBA（M = 2H, Zn, Fe），并通過熱誘導逐步反應，在Au(111)表面上實現(xiàn)了自下而上的精準合成，成功制備出一系列具有周期性卟啉邊緣拓展的鋸齒形石墨烯納米帶材料（MPor–3ZGNR）。研究發(fā)現(xiàn)：（1）Zn摻雜的ZnPor–3ZGNR具有高度分散的導帶和價帶電子結(jié)構(gòu)，其載流子有效質(zhì)量極低，展現(xiàn)出極高的載流子遷移潛力；（2）2HPor–3ZGNR能夠自發(fā)捕獲金襯底表面的Au原子，形成金屬化單元，引發(fā)局部電荷摻雜，從而與未金屬化單元之間形成顯著的電子態(tài)差異，成功在納米帶內(nèi)部構(gòu)建出P–N異質(zhì)結(jié)；（3）摻雜磁性金屬Fe的FePor–3ZGNR中，F(xiàn)e的d軌道與納米帶的π電子態(tài)發(fā)生強烈雜化，實現(xiàn)了相鄰鐵單元間的長程自旋超交換耦合。本研究不僅為原子級精確的卟啉—鋸齒邊緣石墨烯納米帶雜化體系的構(gòu)建提供了新方法，更通過金屬中心的靈活調(diào)控，為未來開發(fā)高性能半導體、化學傳感器及量子自旋鏈等器件，提供了一個強大而多樣的材料平臺。
相關(guān)研究成果以“Zigzag graphene nanoribbons with periodic porphyrin edge extensions”為題，發(fā)表在國際權(quán)威期刊《自然·化學》（Nature Chemistry）上（DOI: 10.1038/s41557-025-01887-9）。該研究工作得到了國家自然科學基金（22405284）、浙江省自然科學基金（LZ24B020006）和中國科學院人才計劃的支持。
圖1. 周期性卟啉邊緣拓展石墨烯納米帶
（氫能與儲能材料技術(shù)實驗室 顧彥偉）