不愧是顶刊亲儿子！石墨烯一周之内连发Science和Nat Mater！

▲Nature Materials：六方氮化硼中石墨烯纳米带的手性控制

上周二，我们刚介绍完Nature Materials上关于石墨烯的论文——六方氮化硼中石墨烯纳米带的手性控制（点击文字可阅读相关推文），才过三天，关于石墨烯研究又登上Science，以下是本次文章具体介绍：

▲第一作者：Daniel J. Rizzo, Gregory Veber, Jingwei Jiang

通讯作者：Steven G. Louie, Felix R. Fischer, Michael F. Crommie

第一单位：加州大学伯克利分校物理系

DOI：10.1126/science.aay3588

背景介绍

二维石墨烯是一种无带隙半金属，但是当将石墨烯其中一个方向的宽度缩小到纳米尺度，令其变成一维的条带后，石墨烯就能因尺寸效应而出现带隙。碳的另一种同素异形体，碳纳米管根据其手性的不同，能出现金属性。而具有armchair和zigzag边界的石墨烯纳米条带（GNRs）的带隙，则展现出与GNRs带宽呈反相关的特性。GNRs这种特殊的性质使其在微型逻辑器件中具有极大的应用潜力。

然而，目前GNRs的应用还具有局限性，因为如果GNRs能出现金属性，那么它将可做为器件里的导线，或者作为研究一维Luttinger液体，等离激元，电荷密度波以及超导性的理想模型。最近有研究表明，利用“自下而上”的合成手段可制造出能在给定位置中出现具有拓扑保护结节态的GNRs。这种拓扑保护态构成了GNRs的前沿电子结构，并在带隙处提供了一个未成对电子。产生的零模态有利于在GNRs中产生金属性和磁性。然而到目前为止，研究人员只开发出了半导体性的石墨烯纳米条带。

本文亮点

1. 利用“自下而上”的原子级精确的合成手段，生产出具有金属性的GNRs。

2. GNRs的金属性来源于半导体GNRs的对称超晶格中存在的局域零模态。

3. 利用扫描隧道谱和第一性原理计算发现零模态只局域在石墨烯的两个亚晶格中。

4. 通过将GNR的两边对称性破坏，可将其金属性增强20倍。

图文解析

●图1 利用“自下而上”的技术手段合成锯齿状GNRs

a. 合成示意图：利用分子前驱体1 “自下而上”的合成sGNRs和5-sGNRs。插图：沉积在Au（111）上的单独存在的分子1的STM形貌图（I_t= 30 pA，V_s = 1.000 V）。

b. sGNR片段的STM形貌图（I_t = 80 pA，V_s = 0.006 V）。 插图显示了发生环化反应后的单体单元的化学键分辨的STM图（BRSTM），该位置具有完整的拱形区域（I_t = 110 pA，V_s = 0.010 V，V_AC = 10 mV）。

c. sGNR的大尺度STM图（I_t= 30 pA，V_s = – 1.100 V）。

d. 5-sGNR片段的STM形貌图（I_t = 1.5 nA，V_s = – 0.100 V）。 插图中为BRSTM图，显示拱形区域是如何形成五元环的（I_t = 110 pA，Vs = 0.010 V，V_AC = 10 mV）。

e. 5-sGNR的大尺度STM图（I_t = 20 pA，Vs = 0.010 V）。

●图2 sGNRs的电子结构

a. 在标记在插图中的锯齿形位置处测量的sGNR / Au（111）的dI / dV谱。虚线表示在Au（111）表面上测量的参考dI / dV谱（谱图参数：V_AC = 10 mV; 成像参数：I_t = 80 pA，V_s = 0.006 V）。

b. 在（a）中所示的偏压下测量的sGNR的恒高dI / dV图（谱图参数：状态1和3 V_AC = 20 mV，状态2 V_AC = 4 mV）。恒高dI / dV图中，基底的LDOS背景已扣除。

c. DFT-LDA计算出的sGNR的DOS（谱图以10-meV高斯加宽）。 由于高斯拖尾效应，E – EF = 0附近的Van Hove奇点合并。 价带（VB），零模带（ZMB）和导带（CB）的能量由黑色箭头指示。

d. 以（c）中所示的能量，通过DFT计算得出的sGNR的LDOS（在sGNR平面上方3.5Å的高度处采样的LDOS）

●图3 5-sGNRs的电子结构

a. 在插图中标记的锯齿形位置上，是对5-sGNR / Au（111）进行点测量得到的dI / dV谱。 虚线表示在Au（111）表面上测到的参考谱图（谱图参数：V_AC = 10 mV；成像参数：I_t = 60 pA，V_s = – 0.100 V）。

b. 在（a）中所示的偏压下测量的5-sGNR的恒高dI / dV图（谱图参数：V_AC = 20 mV）。 恒高dI / dV图中的基底LDOS的背景已扣除。

c. DFT-LDA计算得出的5-sGNR的DOS（谱图以10-meV高斯加宽）。价带（VB），零模带（ZMB）和导带（CB）的能量由黑色箭头指示。

d. 在（c）所示能量下，由DFT-LDA计算得到的5-sGNR的LDOS（在5-sGNR的平面上方3.5Å高度处采样的LDOS）

●图4 零模能带结构

嵌入（a）sGNR和（b）5-sGNR中的局部零模态的单胞之间和单胞内的跳变示意图。

c. 左：DFT-LDA计算的sGNR的能带结构。 价带，零模带和导带分别标记为VB，ZMB和CB。 右：利用紧束缚拟合（红色）的DFT-LDA能带结构产生的跳变参数t1 = t2 = 5.2 meV。

d. 与（c）相同，但计算的是5-sGNRs。5-sGNRs（和相应带宽）的跳变参数是sGNR的跳变参数的23倍。

●图5 sGNRs中的零模调控

a. 嵌入石墨烯的两个局域状态（标记为ψ0）之间的有效跳变t_eff图。插图：石墨烯的第一个（t）和第二个（t'）最近邻居跳变参数的示意图。

b. 对E = 0附近的状态（显示5％的电荷密度等值面），通过DFT计算的sGNR波函数等值面。

c. 与（b）相同，但适用于5-sGNR。 不同的子格用不同的颜色表示（A子格以红色显示，B子格以蓝色显示）。sGNR波函数是完全亚晶格极化的，而5-sGNR波函数是亚晶格混合且更离域。

原文链接：

https://science.sciencemag.org/content/369/6511/1597