我校物质学院于平课题组与李刚课题组合作，实现了在原子尺度调控石墨烯纳米带(Graphene Nanoribbons)边界态(Zigzag edge state)的新方法。2018年8月15日，该成果以“Edge State Engineering of Graphene Nanoribbons”为题，在国际知名学术期刊《Nano Letters》上在线发表，并被选为期刊封面。
石墨烯纳米带是一种新型的一维石墨烯纳米材料，具有制备纳米电子器件和自旋器件的广泛应用前景。自2010年Fasel研究组首次利用自下而上(bottom-up)表面合成的方法，制备了具有精确宽度和原子级平整边界结构的石墨烯纳米带以来，研究热点主要集中在如何通过设计不同的前导分子调节石墨烯纳米带宽度或是通过化学元素掺杂调控石墨烯纳米带的电子态结构。但如何在原子尺度调控石墨烯纳米带边界态的研究还基本处于空白状态。
在本研究中，研究人员利用表面合成的方法将酞菁锰(MnPc)分子连接到7-armchair石墨烯纳米带的边缘：通过超高分辨的扫描隧道显微镜和原子力显微镜的实验手段，可以清晰地观测到酞菁分子与石墨烯纳米带的共价键连接方式（如图1所示），并发现该石墨烯纳米带的边界态发生了劈裂；进而研究人员成功地利用氢原子在酞菁锰上的吸附和脱附来调制石墨烯纳米带边界态的电子结构（如图2所示）。为了诠释该现象的物理机制，于平课题组和李刚课题组共同合作，通过开尔文力谱(KPFS)的实验测量，并且结合DFT第一性原理计算分析，发现石墨烯纳米带边界的电荷转移过程调制了石墨烯纳米带边界的局域掺杂，进而实现了石墨烯纳米带的边界态的电子结构调控。该研究结果为以后制备功能化的石墨烯材料器件提供了新的设计思路。
论文的研究团队全部来自上海科技大学，于平课题组2016级硕博连读研究生苏学磊为第一作者，于平教授和李刚教授为共同通讯作者，上科大为第一完成单位。该项研究得到了上科大科研启动基金、国家自然科学基金和上海市自然科学基金的支持。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b02356
图1.MnPc-GNRs合成过程以及高分辨的STM图像以及AFM图像
图2.吸附脱附氢对GNRs边界态的调控