石墨烯是一種由單層碳原子構成的平面二維材料，因其獨特的結構和物理性質受到廣泛關注。然而，石墨烯零能隙的特點在一定程度上限制了其在電子學器件中的應用。研究表明，制備具有一定寬度的石墨烯納米帶結構是實現能隙打開的有效方法之一，且能隙、邊緣態等電子學性質隨納米帶寬度和取向可調。石墨烯納米帶因在納米電子學、自旋電子學等領域展現出巨大潛力而成為新一代電子器件的重要候選材料。最近，中山大學物理學院、光電材料與技術國家重點實驗室鐘定永研究組與合作者首次在實驗上得到了含有周期性四八元環的新型石墨烯納米帶結構并對其電子學性質進行了深入研究。相關成果發表在《自然：通訊》（Nature Communications, DOI: 10.1038/ncomms14924）。
（左上）含有周期性四八元環嵌入的納米帶結構示意圖；（右上）納米帶的高分辨原子力顯微鏡圖像；
（下）不同偏壓下掃描隧道顯微鏡圖像呈現出納米帶最高占據態和最低未占據態的空間分布。
石墨烯納米帶的電子學性質能夠通過精確控制納米帶的寬度和邊緣結構、不同元素的摻雜和異質結的形成來進行有效調控。鐘定永課題組與合作者首次實現了納米帶中四八元環的可控嵌入，并通過非六元環的引入調控其電子學性質。相比于六元環，非六環在結構上往往不穩定，這使得非六元環的可控嵌入極具挑戰性。研究團隊通過精心設計前驅體分子，在金屬表面原位合成了非六元環結構，利用分子限域效應保護納米帶邊緣，從而得到了含有四八元環的石墨烯納米帶。這種周期性分布的平面化非六元環結構可以被高分辨掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡直接觀察到。通過掃描隧道譜并結合密度泛函理論研究發現，四八元環作為一種拓撲缺陷可以有效地改變納米帶的電子學性質，證實了非六元環的引入是調控納米帶電子結構的有效方法。具有周期性四八元環嵌入的石墨烯納米帶為研究非六元環對電子學輸運和磁學性質的影響提供了新的實驗思路。
論文的第一作者為中山大學物理學院博士研究生劉美壯。合作者包括國家納米科技中心裘曉輝教授研究組、中山大學化學學院王嬌炳教授研究組和物理學院鄭躍教授。
該研究工作得到了國家自然科學基金和光電材料與技術國家重點實驗室的資助，計算模擬工作得到了國家超級計算廣州中心的支持。
論文鏈接： http://www.nature.com/articles/ncomms14924
