研究背景
石墨烯纳米带（GNRs）因其可调控的电子特性在半导体器件中潜力巨大，但传统的“自下而上”合成方法依赖复杂的前驱体设计，且需高温制备（≥650 K），限制了其应用。如何降低合成温度、提升GNRs的产率和质量成为研究热点。中国科学技术大学朱俊发教授团队提出了一种创新策略——利用原子氢（AH）显著降低GNRs的合成温度。
文章概述
该研究通过扫描隧道显微镜（STM）和同步辐射光电子能谱（SRPES）技术，首次揭示了AH在Au(111)表面促进聚亚苯基（PPP）链的横向融合为GNRs的关键作用。研究发现，AH处理可将GNRs形成的阈值温度从650 K降至590 K，为低温高效合成GNRs提供了新思路。
方案1.在Au(111)表面通过PPP链横向融合生成AGNRs的两种反应路径。方案Ⅱ经过超氢化PPP链中间体，使得AGNRs形成的阈值温度从无AH处理的650 K（方案Ⅰ）显著降低至590 K。
图1. (a) 通过将PPP链退火至650 K获得的STM全景图像。在PPP链间出现了AGNRs条带状结构。(b) 6-AGNRs的局部放大STM图像。浅绿色虚线圆圈标记了沿AGNR两侧的突起，这是6-AGNR的典型结构特征。(c, d) 9-AGNR和15-AGNR的放大STM图像。
图2. (a) PPP链在570 K下经原子氢处理20分钟后获得的STM全景图像。具有模糊、明亮和暗色特征的PPP链分别用浅黄色、浅绿色和青色框标出，这些差异可能源于不同的超氢化状态。(b) (a)图对应的高分辨STM图像。插图：沿白色线条的剖面分析，显示出两种不同的链距。(c) 将(a)中样品加热至590 K后获得的大范围STM图像，可见PPP链间生成的纳米带结构。(d) (c)图中青色框区域的放大STM图像。浅黄色和绿色箭头分别标示GNRs和PPP链，白色箭头指示AGNRs中未完全融合的PPP链片段。
研究内容
1.关键发现：
- 温度突破：传统方法中，需加热PPP至650 K才能实现PPP链融合为GNRs；而经570 K下AH预处理后，仅需加热PPP到590 K即可生成GNRs。
- 机制解析：AH通过超氢化作用（Superhydrogenation）局部破坏PPP链苯基的π芳香性，形成类自由基中间体，促进碳-碳耦合；同时，AH使PPP链间距缩短（从10.3 Å降至5.8 Å），为横向融合创造有利条件。
2.实验设计：
- 对比实验：若AH在室温处理PPP链，后续升温至590 K无法生成GNRs，证明570 K下的AH动态平衡是降低温度的关键。
- 产物表征：STM图像清晰显示6-AGNRs（宽度10.5 Å）的形貌，同步辐射能谱证实了反应路径。
研究结论
该工作首次证实AH可通过超氢化作用显著降低GNRs的合成温度，并揭示了其促进横向融合的两大机制：局部电子结构调控和链间距优化。这一策略可拓展至其他多环芳烃（PAHs）体系的纳米带合成，为未来低能耗、高精度碳基电子器件的制备提供了新方向。
论文信息：
第一作者：韩东博士（原中国科学技术大学博士，现德国马尔堡大学博后）
通讯作者：朱俊发教授（中国科学技术大学）
Atomic Hydrogen Promotes Polyparaphenylene Fusion into Graphene Nanoribbons on Au(111)
Dong Han, Qian Xu, Jun Hu, Honghe Ding, Junfa Zhu*
Small Methods
DOI: 10.1002/smtd.202402005
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