冯新亮课题组Nature Materials!

▲第一作者：Wenhui Niu, Simen Sopp, Alessandro Lodi, Alex Gee

通讯作者：Xinliang Feng，Lapo Bogani

通讯单位： 德国德累斯顿工业大学，英国牛津大学

DOI：

https://doi.org/10.1038/s41563-022-01460-6

01
研究背景

只有具有一定清洁度的单电子晶体管才能用于量子实验，因为需要其中的所有状态都可以被正确访问。为了揭示它们的特殊性能，碳纳米材料需要被剥离成单一元素。当前，石墨烯已经可以被剥离成单片，而碳纳米管只有在被悬挂在沟槽中后才能揭示其振动、自旋和量子相干特性。现在，分子石墨烯纳米带提供了具有单原子精度的碳纳米结构，但与碳纳米管类似，其存在溶解性差的问题。

02
研究问题

本研究展示了通过边缘功能化去大幅度提高石墨烯纳米带的溶解度，以制备具有高锐度的单电子特征的超洁净传输设备。强烈的电子-振动耦合导致了突出的Franck-Condon阻塞效应，而边缘的原子定义允许其识别相关的横向弯曲模式。这些结果表明，分子石墨烯可以直接从溶液中产生非常干净的电子器件。电子特征的锐度为利用原子级精确石墨烯纳米结构中的自旋和振动特性开辟了一条道路。

▲图1|合成设计

要点：

1、本研究的策略是通过对MGNR侧翼的化学设计产生的解耦作用来证明极端的电子清洁度。为了显示不同的行为，本研究比较了具有相同的芳香族主干但沿边缘有不同替代物的MGNR。本研究选择的主链宽度为w = 1.13 nm，并且发现长度分布很广：l = 10–371 nm。MGNRs通常每个重复单元有3个运动的烷基链，如这里用来比较的1a和1b的基团（图1a）。

2、为了生产可溶性纳米带，本研究引入了笨重的三维侧基，其直径约为0.5纳米，远远大于π堆叠石墨层之间的典型距离（约0.3纳米）（图1b）。合成路线首先是通过Knoevenagel缩合产生一个二烯和一个亲二烯，然后去除三异丙基硅基保护基团以提供单体。

▲图2|分子纳米带的拆分

要点：1、由于有笨重的侧基，2之间的π堆积明显减少了。MGNR 2在二氯甲烷、氯仿、甲苯等中表现出很好的溶解性，只需轻轻摇动，而不是强烈的超声处理就能使溶液稳定数月，而且没有明显的沉淀物。得到的浓度（C）在甲苯中为3.2 g l^-1，在氯仿中为5.0 g l^-1，超过了以前报道的MGNRs。众所周知，抑制碳纳米结构之间的π堆积会产生一个巴氏色移，而2显示了一个紫外可见的吸收峰，相对于以前已知的MGNR和1b的吸收峰而言，它是蓝移的（图2a）。2、在束内转移的激子会使光致发光熄灭，事实上，本研究没有观察到MGNRs 1a和1b的发光；相反，2在氯仿中表现出明亮的光致发光，因此证明了聚合的抑制（图2b）。3、在浓度C=0.1 g l^-1以下，在600和650 nm之间观察到两个光致发光峰，光致发光强度随C增加，在大约0.1g l^-1时达到饱和（图2c）。在这个C值以上，高能峰消失了，只有与MGNR激子间转移有关的特征保存了下来。随着C值的增加，其强度降低。4、在表面沉积后，也可以观察到解耦现象，例如，在高度定向的热解石墨上，原子力显微镜显示了1a的纳米级MGNR堆，以及2的单一线性结构（图2d）。

▲图3|量子传输的增强

要点：

1、本研究还关注了解耦对量子电子学的主要元素--单电子晶体管（SET）的影响。本研究测试了不同的几何形状，其中MGNR跨越了两个石墨烯电极之间电烧的宽度d=1-10纳米的间隙。栅极是由带有二氧化硅层（厚度为300纳米）的n-掺杂的硅片提供的，或者是由蚀刻在未掺杂的硅上并由10纳米的二氧化硫覆盖的Pd电极提供的（图3a,b）。

2、在SETs中，电子传输是通过一个单一的通道进行的，其电位可以通过V_G进行调整，使MGNR水平与导线产生共振，这样电子就可以通过隧道进入MGNR。由于库仑斥力，已经存在于传导通道中的电子会阻碍其他电子的通过，SET显示出抑制的电导率区域。对于1来说，捆绑使得不可能获得只有一个弥合纳米间隙的MGNR的SET，典型的稳定性图显示了一个巨大的抑制电导区域，对应于半导体MGNR的带隙（图3c）。

3、用2获得的SET显示出异常干净的传导特征，其细节水平可与超净CNT相比（图3d）。这些钻石有明显的周期性，显示出相同的斜率和尺寸，有清晰的边缘，表明每个装置都有一个纳米带。

▲图4|具有增强溶解度的纳米带中的电子-振动耦合

要点：

1、对其中一个钻石的放大视图突出了其特征的异常清洁，并显示了导电元素的完整光谱：钻石的边缘被抑制，可以清楚地观察到一系列的多个激发态（图4a），所有器件都有一个7.0±0.2 meV的特征。

2、边缘电导率的抑制在增加T时逐渐解除（图4b）。与分子光谱学中的Franck-Condon原理类似，电子-振子耦合将抑制低位振子状态的传输，因为当核子位置的变化最小时，电子最有可能被传输（图4c）。

3、对于处于平衡状态的振动子，与Franck-Condon跃迁概率相关的峰值电导G^max_n,0遵循G^max_n,0=γⁿ e^-γ/n!，其中γ表示电子-振子耦合的强度，n是振子量子数，对于整个激发振动态的Franck-Condon progression，观察到与数据的出色一致性，得到γ = 1.5 ± 0.2（图4d）。

03
结语

这些结果表明，由MGNR制成的电子设备具有极高的清洁度，具有清晰的电子特征，远远优于以前的观察结果。在化学上，这开辟了合成设计的整个领域，旨在将不同的且越来越有效的增溶基团放置在边缘。由此产生的规则间隔的结构元件使人们能够避免与表面活性剂相关的问题以及困扰CNT的性能下降。由此产生的解耦方案只是一个不含表面活性剂和其他添加剂的双组分系统。对于纳米电子学，这一结果揭示了全新的视角：具有原子定义形状的石墨烯纳米器件现在可以获得超干净的细节。另外，现在可以探索通过调整接触电阻或增加迁移率来实现更高电导率的策略。由于纳米带现在在微电子伏特能量下在输运中能够被解析，预测的自旋和拓扑态现在可以非常简单地获得，因此这种操作将很快成为现实。

04
作者介绍

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