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Angew. Chem. :不同氮摻雜位點(diǎn)對(duì)石墨烯納米帶電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控2022-07-01
雜原子摻雜是調(diào)控石墨烯納米帶能帶結(jié)構(gòu)的有效手段。氮原子因其有趣的電子特性被人們廣泛用于石墨烯納米帶的摻雜體系當(dāng)中。然而,不同氮原子摻雜位點(diǎn)(石墨氮和吡啶氮)對(duì)石墨烯納米帶能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用,目前尚未給出十分明確的機(jī)理解釋。

近日,昆明理工大學(xué)蔡金明教授團(tuán)隊(duì)和吉林大學(xué)陳龍教授課題組合作,利用氮摻雜前驅(qū)體分子成功在Au(111)表面合成了多位點(diǎn)氮摻雜的石墨烯納米帶(GNRs)。由于前驅(qū)體分子吸附構(gòu)型的變化,合成的GNRs中含有兩種類型的氮原子(吡啶氮和石墨氮)摻雜位置及三種不同的化學(xué)鍵類型(C-C鍵,C-N鍵及N-N鍵)。通過高分辨掃描隧道顯微鏡(HR-STM)和非接觸原子力顯微鏡(NC-AFM)成像,精確識(shí)別并確定了三種類型的GNRs。電學(xué)性質(zhì)的詳細(xì)研究證實(shí),與本征的GNRs相比,N原子摻雜后形成的GNRs(C-C鍵)會(huì)拓寬帶隙,并在費(fèi)米面位置引入新的缺陷態(tài)(C-N鍵和N-N鍵)。第一性原理計(jì)算表明,周期的C-N鍵和N-N鍵的GNRs呈現(xiàn)金屬特性。

不同氮摻雜位點(diǎn)處的掃描隧道顯微譜表明,吡啶氮會(huì)略微擴(kuò)大GNR帶隙,而石墨氮會(huì)在費(fèi)米能級(jí)附近引入兩個(gè)類金屬性質(zhì)的缺陷態(tài)。

DFT計(jì)算結(jié)果顯示,由于吡啶氮原子作用在GNR外側(cè),其作用相當(dāng)于碳原子加氫原子,故對(duì)該GNR的能帶結(jié)構(gòu)影響較?。欢幼饔迷贕NR內(nèi)部,比被其替換的碳原子多一個(gè)電子,能對(duì)GNR的能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生本質(zhì)的影響(金屬性)。

這項(xiàng)工作通過理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合,揭示了不同氮摻雜位點(diǎn)對(duì)GNRs能帶結(jié)構(gòu)調(diào)控作用的機(jī)質(zhì),為人們研究不同摻雜體系的GNRs提供了原子尺度上的分析與見解。

文信息

On-surface Synthesis of Nitrogen-doped Graphene Nanoribbon with Multiple Substitutional Sites

Yong Zhang, Jianchen Lu, Yang Li, Baijin Li, Zilin Ruan, Hui Zhang, Zhenliang Hao, Shijie Sun, Wei Xiong, Lei Gao, Long Chen, Jinming Cai

文章的第一作者是昆明理工大學(xué)的博士研究生張永,昆明理工大學(xué)盧建臣副教授,吉林大學(xué)李陽博士及昆明理工大學(xué)碩士研究生李佰錦為該工作的共同第一作者。

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202204736

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