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制备石墨烯纳米带的新方法

与常见的具有单原子层厚的碳的“二维”同素异形体片相比,石墨烯纳米带具有与之不同的诸多性质。橡树岭国家实验室和北卡罗来纳州立大学的研究人员甚至表明,这些差异可能与石墨烯是一个优良的电导体一样同等重要,但由半导体提供边缘结构的纳米带需要被调整。


李安平(An-Ping Li)和他的同事们在没有金属基底的情况下制备出了石墨烯纳米带,这在早期的工作中是不利于材料的导电性能的。该团队采用的方法是注入电荷载体,促进聚合物前体转化为石墨烯。他们解释道,如果有选择地使用该技术,可以在具有不同电子特性的材料之间形成界面,从而可用于构建半导体器件。


李安平认为:“石墨烯虽然很理想,但它也有局限性。在宽的片层之间,它没有能量差距,这意味着你不能打开或关闭它”。向石墨烯施加电压,电子会在其中自由移动,就像金属一样。然而,这些材料的能带确实具有带隙,并且带越窄,间隙越大。对于纳米带而言,边缘结构显得非常重要。在六边形“椅式”构象存在的地方(与环己烷“船式”相反),材料将表现为半导体。相反,从石墨烯带的边缘切除一个三角形区域就会产生锯齿形边缘,这就会使得带状物具有金属性质。在以前的尝试中,我们使用金属基底来生成纳米带,但出现了比相同数量的椅式和之字形带隙更小的带隙。


李安平和他的同事们使用扫描隧道显微镜(STM)的尖端来注入电荷载体(电子或空穴),看看哪一个会引发正确的反应。实验证明空穴会引发,它们能够在当材料的边缘为椅式构象时,使石墨烯带只有七个碳原子宽。


李安平解释道:“我们找到了基本机制,即电荷注入如何降低反应势垒,从而促进这种化学反应。沿着聚合物前体链移动尖端,研究人员可以选择它们触发反应的位置,并一次转型成一个六边形石墨烯。下一步则是构建不同前体的异质结,这种异质结可能引导电能流动或促进太阳能转换。” 李安平还补充道: “这是为能源应用量身打造物理特性的一种方法,是直接描画的一个好例子,你可以在分子或原子层面指导转型过程。”

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