王者归来！石墨烯，再次问鼎《Science》！
发布日期：2023-03-13 自首次表面合成以来，原子精确的石墨烯纳米带(GNRs)因其与拓扑相关的物理特性在纳米科学和技术领域引起了极大的兴趣。事实上，它们特定的边缘构象具有特殊的电子状态，从而导致非常规输运或磁性。此外，它们的光学特性为可控原子薄光电子器件提供了很大的希望。为了要赋予单层石墨烯某种电性，会按照特定样式切割石墨烯，形成石墨烯纳米带。切开的边缘形状可以分为锯齿形和扶手椅形。采用紧束缚近似模型做出的计算，预测锯齿形具有金属键性质，又预测扶手椅形具有金属键性质或半导体性质；到底是哪种性质，要依宽度而定。可是，近来根据密度泛函理论计算得到的结果，显示出扶手椅形具有半导体性质，其能隙与纳米带带宽成反比。实验结果确实地展示出，随着纳米带带宽减小，能隙会增大。但是，直至2009年,
尚没有任何测量能隙的实验试着辨识精确边缘结构。 通过施加外磁场，石墨烯奈米带的光学响应也可以调整至太赫兹频域。石墨烯纳米带的结构具有高电导率、高热导率、低噪声，这些优良品质促使石墨烯纳米带成为集成电路互连材料的另一种选择，有可能替代铜金属。有些研究者试着用石墨烯纳米带来制成量子点，他们在纳米带的某些特定位置改变宽度，形成量子禁闭。事实上，GNRs的石墨烯具有电子间隙，这是许多应用(包括发光器件)的必要特性。尽管理论研究非常详细地讨论了如何通过其宽度、长度和边缘形状的原子尺度变化来有效地控制gnr的光学性质，但关于GNR激子性质的实验报道却很少，特别是那些专注于表面生长的GNR荧光的实验。这些实验要么局限于集成平均测量，其中光发射主要由缺陷对直接接触金属电极的单个GNR的响应所控制，这些缺陷改变了GNR激子特性。事实上，由于合成石墨烯、石墨烯、石墨烯、石墨烯、石墨烯表面，进而导致发光猝灭，因此原子精确gnr的本征发射特性仍然是一个几乎未被探索的领域。原子精确石墨烯纳米带(GNRs)的固有光电特性在很大程度上仍未被探索，因为发光猝灭效应是由于金属基板上生长的石墨烯纳米带。在这里，法国斯特拉斯堡大学Song Jiang教授课题组用原子尺度的空间分辨率探测了金属表面合成的GNRs的激子发射。采用基于扫描隧道显微镜(STM)的方法将GNR转移到部分绝缘表面以防止条带的发光猝灭。STM诱导的荧光光谱揭示了局域暗激子的发射，这些暗激子与GNRs的拓扑端态相关。观察到低频振动发射梳状结构，并将其归因于局限于有限框内的纵向声模。作者的这项研究为研究石墨烯纳米结构中激子、振子和拓扑结构之间的相互作用提供了一条途径。相关研究工作以“Topologically localized excitons in single graphene nanoribbons”为题发表在国际顶级期刊《Science》上。在这里，作者建立了一种策略，包括使用扫描隧道显微镜(STM)尖端将单个七个原子宽的扶手椅边缘GNRs
(7-AGNRs)从Au(111)表面的裸露部分转移到相邻的薄绝缘NaCl层。使用STM诱导发光(STML)，然后解决单个GNR的荧光性质，从任何接触金属电极隔离。作者的STML数据揭示了一条锐利的发射线，其能量低于无限长带的预期激子发射，这可以追溯到涉及GNR端局部拓扑状态的暗激子。这条发射线伴随着丰富而复杂的电子发射谱。最近的STML工作已经证明，当单个有机分子与金属基板充分解耦时，它们的荧光特性可以被激发。一种常见的策略是将分子蒸发在吸附在金属表面的氧化物或盐的薄绝缘层上。这种有效的方法是，在金属基底表面进行催化反应，合成像GNRs这样的碳纳米管。在图1中，作者详细介绍了方法，以亚纳米级精度测量单个GNR的发光特性。首先遵循通常的表面合成方法(图1A)，从10,10
' -二溴-9,9 ' -双氰基(DBBA)前驱体(1)在Au(111)表面上形成7个原子宽和m个原子长的AGNRs
[(7,m)AGNRs]，然后蒸发NaCl，从而在Au(111)上形成三层单层厚(3ML)的NaCl岛。经过这种制备的基片的STM图像(图1B)显示了一个干净的NaCl岛(左下)和位于裸金区域的几个不同长度和方向的(7,m)AGNRs。在无花果。在图1C中，作者简要地解释了STM的尖端如何用于将吸附在金表面的(7,m)AGNR转移到氯化钠簇
(i)尖端接近(7,m)AGNR末端，直到达到接触。最后一个尖端原子和反应色带末端之间的弱键使结中的色带可以通过将尖端缩回几纳米来提升。(ii)尖端然后横向位移到NaCl簇的顶部，其中(iii)通过施加3.5
v振幅和30 ms宽度的电压脉冲释放条带。图1D显示了用这种方法沉积在3ML
NaCl上的(7,28)AGNR的STM图像。在这张图中没有观察到条带的修改，这表明该过程不影响GNR的结构。图3. 长度增加的(7,m)AGNRs激子与纵向声模式的耦合作者的原子分辨荧光测量结果显示，位于(7,m)AGNRs拓扑末端的长寿命暗激子发出了尖锐的(≈0.6
meV)发射。这些局域发射中心耦合到一维声声子模式，在整个缎带上是离域的。在绝缘体和/或半导体中的发射中心，如固体中的颜色中心或缺陷，经常被用作量子传感和量子技术应用中特别感兴趣的单光子或纠缠光子源。与传统的固态量子发射器相比，GNR中拓扑局域中心的优势在于，光子源的数量和位置可以通过对GNR短边和长边的化学工程来定制，从而为调谐源间耦合和控制经典和量子发射特性提供了有效的途径。(7,m)AGNRs的每个拓扑端态都有一个未配对电子，因此是自旋极化的，从而为结合电子、磁和光子自由度的量子方案提供了有机纳米级解决方案。这些GNR也可以被视为理想的原子控制平台，以原子尺度的空间精度，识别激子-声子耦合对量子单位(去)相干性的作用。最终，GNR的两端可以被特定选择的发色团功能化，以确定离域声子模式是否会影响发色团偶极子之间的相干耦合，就像光收集复合物中的电子-振动混合一样。https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq6948 
