近日，上海科技大学物质科学与技术学院于平课题组与李刚课题组、甄家劲课题组、杨波课题组合作，在金表面上成功合成了五元环周期性掺杂的凹槽（Cove）型拓扑石墨烯纳米带。该研究发表于国际一流化学期刊《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society, JACS)。
石墨烯纳米带（GNRs）因其电子特性的可调控性在纳米电子器件中具有广泛应用潜力。凹槽型石墨烯纳米带（C-GNR）作为其中重要的一类，可展现出非平庸的拓扑性质。理论预测，其拓扑相位由凹槽的位置和纳米带的宽度所决定，通过Su-Schrieffer-Heeger（SSH）模型可以很好地描述其电子结构。
由于缺乏合成策略及前驱体的设计，很难在锯齿型石墨烯纳米带的两边周期性掺入凹槽（除去C-H基团）以实现拓扑性质，目前只有极少数的个例C-GNR的实验合成被公开报道，且均仅展现出了平庸的半导体性质。因此，制造拓扑的C-GNR不仅充满挑战性，更具有重要意义。
为应对这一挑战，研究团队利用三角烯单元，在金表面上通过乌尔曼偶联及分子内和分子间的脱氢环化反应，成功合成出一种五元环掺杂的准凹槽型石墨烯纳米带（C-5-GNR），通过周期性地将五元环引入凹槽型两边，最终实现了其拓扑非平庸的电子结构。在低温超高真空环境下通过扫描隧道显微镜（STM）和非接触式原子力显微镜（nc-AFM）精确表征了其化学结构（图1），并进一步分析了其表面合成反应路径。
图1.C-5-GNR的表面合成路径和化学结构表征
结合扫描隧道谱学(STS)技术以及密度泛函理论（DFT）计算，研究团队表征了C-5-Segn片段的低能电子结构，发现其反铁磁耦合强度展现出随纳米带长度增加而衰减的依赖性。
图2.C-5-Segn的化学与电子结构表征
研究团队还表征了准一维的C-5-GNR的化学和电子结构，发现其电子结构符合SSH模型的描述，并通过Zak相的计算验证了其非平庸的拓扑相。
图3.准一维C-5-GNR冠状六角烯的化学与电子结构表征
本研究实现了C-5-GNR的表面合成，通过在C-GNR的凹槽边嵌入周期性五元环的策略，实现了非平庸的拓扑电子结构，并利用STM和AFM对不同长度C-5-GNR的化学和电子结构进行了表征。以上结果有望为设计具有所需非平庸拓扑特性的C-GNR提供新思路，助力探索其在量子信息技术领域的应用前景。