頂刊親兒子！石墨烯連發Science和Nat Mater

▲Nature Materials：六方氮化硼中石墨烯納米帶的手性控制

上周二，我們剛介紹完Narure Materials上關於石墨烯的論文——，才過三天，關於石墨烯研究又登上Science，以下是本次文章具體介紹：

▲第一作者：Daniel J. Rizzo, Gregory Veber, Jingwei Jiang
通訊作者：Steven G. Louie, Felix R. Fischer, Michael F. Crommie

第一單位：加州大學伯克利分校物理系

DOI：10.1126/science.aay3588

背景介紹

二維石墨烯是一種無帶隙半金屬，但是當將石墨烯其中一個方向的寬度縮小到納米尺度，令其變成一維的條帶後，石墨烯就能因尺寸效應而出現帶隙。碳的另一種同素異形體，碳納米管根據其手性的不同，能出現金屬性。而具有armchair和zigzag邊界的石墨烯納米條帶（GNRs）的帶隙，則展現出與GNRs帶寬呈反相關的特性。GNRs這種特殊的性質使其在微型邏輯器件中具有極大的應用潛力。

然而，目前GNRs的應用還具有局限性，因為如果GNRs能出現金屬性，那麼它將可做為器件裡的導線，或者作為研究一維Luttinger液體，等離激元，電荷密度波以及超導性的理想模型。最近有研究表明，利用「自下而上」的合成手段可製造出能在給定位置中出現具有拓撲保護結節態的GNRs。這種拓撲保護態構成了GNRs的前沿電子結構，並在帶隙處提供了一個未成對電子。產生的零模態有利於在GNRs中產生金屬性和磁性。然而到目前為止，研究人員只開發出了半導體性的石墨烯納米條帶。

本文亮點

1. 利用「自下而上」的原子級精確的合成手段，生產出具有金屬性的GNRs。

2. GNRs的金屬性來源於半導體GNRs的對稱超晶格中存在的局域零模態。

3. 利用掃描隧道譜和第一性原理計算發現零模態只局域在石墨烯的兩個亞晶格中。

4. 通過將GNR的兩邊對稱性破壞，可將其金屬性增強20倍。

圖文解析

●圖1 利用「自下而上」的技術手段合成鋸齒狀GNRs

a. 合成示意圖：利用分子前驅體1 「自下而上」的合成sGNRs和5-sGNRs。插圖：沉積在Au（111）上的單獨存在的分子1的STM形貌圖（It= 30 pA，Vs = 1.000 V）。
b. sGNR片段的STM形貌圖（It = 80 pA，Vs = 0.006 V）。 插圖顯示了發生環化反應後的單體單元的化學鍵分辨的STM圖（BRSTM），該位置具有完整的拱形區域（It = 110 pA，Vs = 0.010 V，VAC = 10 mV）。

c. sGNR的大尺度STM圖（It= 30 pA，Vs = – 1.100 V）。

d. 5-sGNR片段的STM形貌圖（It = 1.5 nA，Vs = – 0.100 V）。 插圖中為BRSTM圖，顯示拱形區域是如何形成五元環的（It = 110 pA，Vs = 0.010 V，VAC = 10 mV）。

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

●圖2 sGNRs的電子結構
a. 在標記在插圖中的鋸齒形位置處測量的sGNR / Au（111）的dI / dV譜。虛線表示在Au（111）表面上測量的參考dI / dV譜（譜圖參數：VAC = 10 mV; 成像參數：It = 80 pA，Vs = 0.006 V）。
b. 在（a）中所示的偏壓下測量的sGNR的恆高dI / dV圖（譜圖參數：狀態1和3 VAC = 20 mV，狀態2 VAC = 4 mV）。恆高dI / dV圖中，基底的LDOS背景已扣除。

c. DFT-LDA計算出的sGNR的DOS（譜圖以10-meV高斯加寬）。 由於高斯拖尾效應，E – EF = 0附近的Van Hove奇點合併。 價帶（VB），零模帶（ZMB）和導帶（CB）的能量由黑色箭頭指示。

d. 以（c）中所示的能量，通過DFT計算得出的sGNR的LDOS（在sGNR平面上方3.5Å的高度處採樣的LDOS）

●圖3 5-sGNRs的電子結構
a. 在插圖中標記的鋸齒形位置上，是對5-sGNR / Au（111）進行點測量得到的dI / dV譜。 虛線表示在Au（111）表面上測到的參考譜圖（譜圖參數：VAC = 10 mV；成像參數：It = 60 pA，Vs = – 0.100 V）。
b. 在（a）中所示的偏壓下測量的5-sGNR的恆高dI / dV圖（譜圖參數：VAC = 20 mV）。 恆高dI / dV圖中的基底LDOS的背景已扣除。

c. DFT-LDA計算得出的5-sGNR的DOS（譜圖以10-meV高斯加寬）。價帶（VB），零模帶（ZMB）和導帶（CB）的能量由黑色箭頭指示。

d. 在（c）所示能量下，由DFT-LDA計算得到的5-sGNR的LDOS（在5-sGNR的平面上方3.5Å高度處採樣的LDOS）

●圖4 零模能帶結構
嵌入（a）sGNR和（b）5-sGNR中的局部零模態的單胞之間和單胞內的跳變示意圖。
c. 左：DFT-LDA計算的sGNR的能帶結構。 價帶，零模帶和導帶分別標記為VB，ZMB和CB。 右：利用緊束縛擬合（紅色）的DFT-LDA能帶結構產生的跳變參數t1 = t2 = 5.2 meV。

d. 與（c）相同，但計算的是5-sGNRs。5-sGNRs（和相應帶寬）的跳變參數是sGNR的跳變參數的23倍。

●圖5 sGNRs中的零模調控
a. 嵌入石墨烯的兩個局域狀態（標記為ψ0）之間的有效跳變teff圖。插圖：石墨烯的第一個（t）和第二個（t'）最近鄰居跳變參數的示意圖。
b. 對E = 0附近的狀態（顯示5％的電荷密度等值面），通過DFT計算的sGNR波函數等值面。

c. 與（b）相同，但適用於5-sGNR。 不同的子格用不同的顏色表示（A子格以紅色顯示，B子格以藍色顯示）。sGNR波函數是完全亞晶格極化的，而5-sGNR波函數是亞晶格混合且更離域。

原文連結：https://science.sciencemag.org/content/369/6511/1597