石墨烯纳米带（GNRs）作为准一维纳米结构，因其可调控的电学和磁学特性，在下一代电子学和量子计算中展现出巨大潜力。GNRs的带隙依赖于其宽度和边缘构型，例如扶手椅型GNRs的带隙随宽度变化，而锯齿型和手性构型则具有自旋极化边缘态。为进一步优化GNRs的电子学特性，研究者探索了多种带隙调控策略，包括边缘工程、杂原子取代以及结构修饰等。此外，在sp2杂化的碳晶格中嵌入非六元环结构可通过引入局部子晶格缺陷来调整能带结构，理论预测这种方法可显著调控GNRs 的带隙、局域态与自旋/磁学特性。
然而，非六元环GNRs的合成因热力学不稳定性而面临挑战，传统自上而下方法（如光刻切割和溶液超声）难以实现原子级精度。相比之下，表面合成技术通过前体分子在衬底上的化学反应（如Ullmann偶联和环化脱氢），结合扫描隧道显微镜（STM）、非接触原子力显微镜（nc-AFM）等先进表征手段，为原子精确构建非六元环GNRs提供了有效途径。本综述总结了通过表面合成方法合成含非六元环GNRs的最新进展，重点探讨了前体分子设计和反应路径，为未来开发具有独特电子和磁学特性的功能碳纳米结构提供指导。
同济大学许维团队系统综述了近年来通过表面化学反应精准合成含非六元环GNRs的最新研究进展。作者详细归纳了几种典型的表面合成途径：一是通过精心设计芳香前体分子、选择特定取代位点和官能团，利用Ullmann偶联结合脱氢环化反应，实现含四元环、五元环、八元环等GNRs结构的精准构筑；二是通过 [2+2] 环加成反应直接形成四元环片段；三是通过链间熔合反应实现更宽更多元的非六元环GNRs结构；四是通过热诱导骨架重排反应获得传统反应无法合成的新颖杂元环结构。文中结合STM、nc-AFM和第一性原理计算（DFT），揭示了这些反应的反应路径和各自的反应特点。研究显示，非六元环的引入不仅显著改变了GNRs的带隙宽度和边缘态分布，还可能赋予其自旋极化、拓扑态等新特性。
文章最后指出，目前此类反应仍受限于高温脱氢所带来的选择性低和产率不稳定等问题，且大多依赖金属基底，向绝缘或半导体基底的可控合成与器件化转移仍是重要挑战。未来的研究将需在低能垒反应设计、前驱体模块化合成和多组分异质结构筑方面进一步突破，以推动含非六元环GNRs在电子、自旋及量子器件领域的实际应用。
论文信息
On-Surface Precise Synthesis of Non-Hexagonal Ring-Embedded Graphene Nanoribbons
Hao Qu, Mali Zhao, Wei Xu
Chemistry – A European Journal
DOI: 10.1002/chem.202501399
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