十年之内，江嵩分别发表一篇 Nature Nanotechnology 和 Science 论文，所有论文加起来一共有 18 篇。而从中国到美国再到法国，他的求学足迹跨越了三个大洲。
前不久，江嵩担任第一作者兼共同通讯的 Science 论文终于和大众见面。对于即将完成第二站博士后研究的他，这或许是对过往生涯的最好交代。
图 | 江嵩（来源：江嵩）
目前，他正在法国国家科研中心的斯特拉斯堡物理化学材料研究所（IPCMS，Institute Physical And Chemistry Materials De Strasbourg）做博士后研究。在这篇论文中，江嵩和所在团队借助表面在位合成、STM（Scanning Tunneling Microscope，扫描隧道显微镜）针尖操纵、以及 STM 诱导发光等技术，让单根石墨烯纳米带实现了本征电致发光。
研究中，他们先是利用表面在位合成技术，在金单晶表面制备不同长度的石墨烯纳米带。
其次，他们在样品表面进一步沉积超薄脱耦合层，并利用 STM 针尖将不同长度的石墨烯纳米带，从金属表面转移到脱耦合层上，以抑制荧光淬灭效应。
最后，对于脱耦合后的石墨烯纳米带，他们使用 STM 针尖注入一定能量的电子，借此来测量石墨烯纳米带的电致发光。
另外，课题组结合理论计算，探讨了石墨烯纳米带在电致发光过程中所涉及的电子激发态、以及电子-振动发光特性等。
江嵩表示，研究期间所使用的技术，可以很容易地拓展到其他石墨烯纳米带上。这也意味着对于在单分子水平上研究石墨烯纳米带的光电性质来说，本次成果可以提供新的思路。
石墨烯纳米带的光电性质，强烈依赖自身的结构。而通过选择不同的前驱体分子，就可以精准合成这种结构，进而调控其光电性质。
鉴于本次工作所展示的方法，能被拓展到其他石墨烯纳米带上。因此，预计这将催生更多关于石墨烯纳米带光电性质的研究。
同时，将石墨烯纳米带进行器件化，是该领域的一个主要目标。在本次研究之外，也有其他课题组报道了以石墨烯纳米带为基础的纳米器件。
但是，由于石墨烯纳米带在大气环境中非常不稳定，所以只有在克服相关技术难题之后，才有望真正走向实际应用。
01 从单分子水平研究石墨烯纳米带的光学性质
石墨烯，是一种由单层碳原子组成的二维薄膜，同时它也是一种半金属。其具备高强度、导电性和热导率等特点，是一种颇具前途的新型材料。
然而，作为半金属的石墨烯，它的电子结构里不存在能带间隙，因此无法直接用于新型电子器件的制备。
石墨烯纳米带（Graphene nanoribbons，GNRs），是一种宽度仅为几纳米的石墨烯带状结构。
由于石墨烯纳米带的尺寸非常小，所以具有很强的量子限制效应。相比宏观材料，它有着完全不同电学、磁学、力学和光学性质，因此有望用于电子学、光电学和自旋电子学等领域。
同时，这些性质强烈依赖于石墨烯纳米带的尺寸、边缘结构和宽度。
要想合成石墨烯纳米带，可以通过化学气相沉积、光刻或切割石墨烯片等方法。然而，这些合成方法都无法实现石墨烯纳米带的精准合成。
那么，这一问题是否有解？据了解，利用表面在位合成（On-Surface synthesis）技术，通过将前驱体分子引入金属表面，以及借助金属表面的催化作用，就能在原子级水平上精准地合成石墨烯纳米带。
而通过设计不同的前驱体分子，还可以调控石墨烯纳米带的尺寸、边缘结构、掺杂位点等，进而调控石墨烯纳米带的电子结构和性质。
2010 年，通过表面在位合成技术所制备的石墨烯纳米带首次面世[1]。此后，各种不同类型的石墨烯纳米带，比如扶手椅型、锯齿型、手性型、异质型、元素掺杂型等也陆续得到报道。
而在最近几年，关于石墨烯纳米带拓扑性质的研究[2]，为调控石墨烯纳米带的性质提供了新思路。
尽管针对石墨烯纳米带电子结构的研究一直都比较火热。但是，学界对其光学性质的讨论始终相对不多。主要原因有二：
首先，依托于金属表面的催化作用，石墨烯纳米带在合成后直接吸附在金属表面，从而与金属之间发生极强的相互作用，进而带来荧光淬灭效应。
其次，借助表面在位合成技术，依旧无法准确控制石墨烯纳米带的长度。对于不同长度的石墨烯纳米带来说，即使将它们转移到脱耦合层或溶液里，常规的光学技术只能测量这些不同纳米带的平均的光学性质。
正因此，在单分子水平上研究石墨烯纳米带的光学性质的科研成果一直都比较少。基于此，江嵩等人开展了本次研究。
02 近乎完美地解释电子振动光谱
江嵩表示：“本次课题综合了我目前所在团队的两大课题方向：纳米线的光电测量、以及脱耦合层上分子的光电测量。”
在 2016 年之前，该实验室主要的研究方向是纳米线的光电测量。
在这类研究中，他们通常会利用表面在位合成技术，来合成具有不同发光体的纳米线，并使用 STM 的针尖提起纳米线的一端，从而形成“针尖-纳米线-衬底”的单分子器件，借此来研究其光电性质。
然而，一旦纳米线被针尖提起之后，针尖将无法用于成像，自然也就无法获得关于样品结构的信息。
2016 年，中日科学家陆续发现利用氯化钠（NaCl）为脱耦合层，可以观察到单个分子的电致发光。
江嵩目前的导师很快就意识到：这是一个比纳米线更简单、更明了的研究体系。
以氯化钠作为脱耦合层之后，可以让针尖得到解放。而且，氯化钠拥有易制备、高品质、层数可控等特点。因此，对于研究单分子发光来说，氯化钠是一种理想材料。
自那时起，该团队紧跟这一科技前沿，并将研究重心转换到脱耦合层的分子上，报道了不少出色的成果[3]。
2019 年末，江嵩加入当前所在的课题组。当时，酞菁、卟啉类等 π 共轭体系的化合物，是他们正在研究的对象。
“我们当时的想法是：在更大的 π 共轭体系里，到底能观察到什么？为此，我们和其他课题组合作，尝试了许多不同的体系。但是，在样品制备上面临很大的挑战。在和导师讨论之后，大家意识到或许可以重拾多年前的纳米线体系。”江嵩说。
经过一番讨论，在各种纳米线之中，他们选择了石墨烯纳米带。原因主要有三：
其一，在这类样品制备上，他们具备一定的经验；
其二，2016 年已有课题组将石墨烯纳米带成功转移到氯化钠上；
其三，此前很少有人研究石墨烯纳米带的光学性质，少有的几个研究也都是基于薄膜或溶液等系统体系。
江嵩继续说道：“我们的实验主要涉及到：利用 STM 针尖将石墨烯纳米带提起，并转移到氯化钠脱耦合层上，然后对石墨烯纳米带进行成像和测量。”
实验中主要有两大挑战：样品制备和 STM 针尖。
在样品制备上，他们首先采用表面在位合成技术，在金表面合成 7- 扶手椅型石墨烯纳米带 （7-AGNRs）；然后，进一步地沉积氯化钠脱耦合层。
需要说明的是，在实验中他们只能研究氯化钠脱耦合层附近的石墨烯纳米带，因为在石墨烯纳米带转移的过程中，无法跨过其他的石墨烯纳米带。
为了研究不同长度石墨烯纳米带的发光性质，以及保证实验的可重复性，在耗费大量时间之后，他们终于在样品表面寻找到合适的区域。
找到理想区域之后，更大的挑战就是针尖。针尖需要完成四种任务：操纵石墨烯纳米带、实现 STM 成像、完成电子态测量、以及完成光谱测量。
每一个任务都给针尖提出了极高的要求。江嵩表示：“一般来说针尖能够完成两三个任务就已经非常幸运。最常见的情况是在完成石墨烯纳米带的转移任务后，针尖对于石墨烯纳米带的 STM 成像非常差。而在获得清晰图像之后，针尖的发光又会变得非常弱。”
幸运的是，尽管江嵩需要一并完成多项任务，但是在十几天后所有状态都非常完美，他也成功观察到了来自脱耦合的石墨烯纳米带的发光。
其表示：“我们在实验中发现，从其中一些类型的石墨烯纳米带上并不能观察到电致发光，而我们尝试的第一种石墨烯纳米带正好就是可以发光的。这说明我们当初的选择是非常幸运的。”
接着，他测量了更多的石墨烯纳米带，并深入分析了光谱数据。“印象最深刻是有整整一个星期，针尖的状态都特别好。每一天我都可以研究一根不同的石墨烯纳米带。”江嵩表示。
在机理讨论上，他们更是大胆假设、小心求证。由于发光过程涉及到电子从激发态、到基态的跃迁，而对于石墨烯纳米带这种大尺度的开壳层体系来说，基态计算就已经颇具挑战性，要想激发态的性质更是难上加难。
“但是我们组里负责理论计算的同事，不但成功地解释了发光过程中所涉及到的激发态，更是近乎完美地解释了电子振动光谱。另外，我们还提出了基于多体理论的激发机制，我们认为这种激发机制具有很强的普适性。”江嵩说。
最终，相关论文以《单石墨烯纳米带中的拓扑局域激子》（Topologically localized excitons in single graphene nanoribbons）为题发在 Science 上，江嵩是第一作者兼通讯作者，法国国家科研中心纪尧姆·舒尔（Guillaume Schull）教授担任通讯作者[4]。
图 | 相关论文（来源：Science）
随后，江嵩等人对上述激发机制的普适性进行了更加详细的探讨。相关论文以《带电分子的 STM 诱导荧光的多体表述》（Many-Body Description of STM-Induced Fluorescence of Charged Molecules）为题发表在 Physical Review Letters 上，在被期刊主编推荐之后，还成为了当期亮点论文。[5]
03 求学生涯跨越中美法，即将研究石墨烯纳米带的光电现象
据介绍，江嵩本科就读于大连理工大学，后来到中国科学技术大学攻读直博。读博期间，其致力于研制和发展基于 STM 的高分辨光学成像技术。
拉曼光谱技术可以提供分子本征的振动信息，是分析物质组成的重要技术。
但是，受限于光学衍射的极限，该技术所能实现的空间分辨率只有几百纳米，这让科研人员无法在分子水平上研究微观物质的组成与结构、以及分子间的相互作用。
为此，读博期间的江嵩和当时所在的团队，基于超高真空低温 STM 系统，研发出一款单分子拉曼散射光谱检测装置。[6]
随后，他利用这套针尖增强拉曼（TERS，tip-enhanced Raman spectroscopy）测量系统，面向接触距离在范德华相互作用范围内的不同卟啉分子，实现了清晰的化学识别。所测得的拉曼光谱，可以清晰地区分分子的“身份”和结构。[7]
2016 年博士毕业之后，他以博士后身份加入美国西北大学，主要负责研发和发展电化学条件下的 TERS 技术。
期间，他利用自建的电化学 TERS 技术，在酸性水溶液中获得了原子级平整的金衬底表面、分子分辨的酞菁单层分子膜 STM 成像、以及高信噪比的 TERS 光谱。[7]
2019 年，江嵩以博士后身份加入到法国 IPCMS，并在那里工作至今。
下一步，江嵩和所在团队将研究其他类型的石墨烯纳米带，同时也将发展近场光学测量的新方法。
具体来说，7- 扶手椅型石墨烯纳米带的电子结构相对比较简单，它之所以能够电致发光，是因为受到拓扑边缘态相关的“暗态”激子的退激发，但它在调控性质上依旧存在一定限制。
当前，学界已经报道了许多石墨烯纳米带，它们都具有非常特异的电子结构。
基于此，江嵩所在团队已经选出一些纳米带，并和研发这些纳米带的课题组开展合作，希望可以发现电子结构与发光性质的关联，进而实现石墨烯纳米带发光的可控性调节。
另外，在本次研究中江嵩等人还提出了基于多体理论的电致发光机制，该机制涉及到电子的转移过程，因此发光过程会受到电子/空穴注入机制的调控。
相比之下，光子激发过程无需依赖电子的转移，所以可能会观察到更丰富的现象。“所以我们计划使用不同的近场光学技术，来研究石墨烯纳米带的光电现象。”江嵩最后表示。
参考资料：
1. J. Cai, et al., Nature 2010, 466, 470-473.
2. O. Groning，et al., Nature 2018, 560, 209-213. D. J. Rizzo，et al., Nature 2018, 560, 204-208; Science 2020, 369, 1597-1603.
3. G. Schull, et al., Phys. Rev. Lett. 2017， Science 2018， Nat. Nanotechnol. 2020， Nat. Chem. 2021
4. S. Jiang, et al., Science 2023, 379, 1049-1054.
5.S. Jiang, et al., Phys. Rev. Lett. 2023, 130, 126202.
6. R. Zhang, et al., Nature 2013, 498, 82-86.
7.S. Jiang, et al., Nat. Nanotechnol. 2015, 10, 865-869; J. Phys. Chem. C 2019, 123, 9852-9859.
本文来自DeepTech深科技，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
