科研进展

物理与天文学院王世勇特别研究员合作项目最新成果在Nature期刊发表

8月9日,国际顶级学术期刊Nature以“Engineering of robust topological quantum phases in graphene nanoribbons”为题报道了上海交通大学物理与天文学院王世勇特别研究员与瑞士材料联邦科学与技术实验室Roman课题组、德国马普所KlausMullen课题组、美国伦斯勒理工大学Vincent Muller课题组以及德国德累斯顿工业大学冯新亮课题组合作的最新成果。他们继2016年获得原子级精确的锯齿型石墨烯纳米带后(Nature 531,489,2016),再次取得突破,首次合成具有拓扑性质的石墨烯纳米带。瑞士联邦实验室OliverGroning,上海交通大学王世勇,德国马普所Yao Xuelin为文章的共同第一作者。该工作同时被Naturenews and views 亮点报道(Nature 560, 175-176, 2018; Nature 560, 209-213, 2018)。

石墨烯纳米带作为准一维的石墨烯纳米结构,由于量子限域效应和边界效应,其电子结构与其宽度和边缘结构密切相关。理论研究表明,具有扶手椅形边缘结构的石墨烯纳米带呈现半导体性,其带隙随纳米带宽度的减小而增加;而具有锯齿形边缘结构的石墨烯纳米带表现出自旋极化特性。尤为奇特的是,特定非规则边缘的石墨烯纳米带具有新颖的拓扑特性。2017年,伯克利大学Steven Louie组预测边缘结构交替的石墨烯纳米带结构具有拓扑保护的界面态,进而可以用来调控一维的拓扑量子态,实现Su-Schrieffer-Heeger模型(图一a)。

尽管理论研究表明石墨烯纳米带能展现一系列奇异的电、磁、拓扑特性,但是由于样品制备困难,尤其是纳米带的宽度、边缘结构等难以精确控制,不同的实验报道中存在很大的偏差,迄今为止仅有很少的理论预言得到了确定性的实验证实。近年来,表面化学合成方法的发展实现了低维有机纳米材料的可控生长 [Nature 466, 470, 2010]。基于“自下而上”表面合成途径,通过选择不同的分子前驱物,能够对纳米结构的宽度、形状及掺杂实现精确调控,实现结构原子级精确的石墨烯纳米结构。结合非接触原子力显微镜、扫描隧道显微镜以及扫描隧道微分谱等表面手段,表面化学合成提供了一个新的平台用于研究以前通过传统化学手段难以研究的一些高分子系统,能够在单个化学键尺度下表征相关材料的结构、化学及物理性质。如图一,他们通过精确的设计分子前驱体,在Au(111)表面合成出来了具有交替宽度的石墨烯纳米带(图一b)。超高分辨原子力显微镜成像技术确定了合成出来的纳米带化学结构,验证了相关合成方法高度可控。扫描隧道微分谱技术确定了石墨烯纳米带的拓扑性质,相关结果和理论高度吻合(图一c)。通过改变分子前驱体,他们实现了对拓扑特性的精准调控,实现了拓扑非平庸的石墨烯纳米带,并观测到了石墨烯纳米带末端的拓扑末端态。

图一:a在石墨烯纳米带中实现SSH模型。b表面化学合成方法得到结果原子级精确的石墨烯纳米带。c石墨烯纳米带的结构及电学性质。

相关工作得到了Nature审稿人的高度肯定:这个工作具有高度原创性,令人兴奋,对不同领域均具有巨大的意义(I find the manuscript to be highly original, exciting and of great significance to people in various disciplines.);相关研究非常有意义,在纳米带中实现拓扑量子态为接下来研究拓扑结构提供了一个非常有意思的平台(The study is highly interesting and the realization of topological states in GNRs could provide an interesting playground for further exploring topological structures in networks.)。