但是，由于石墨烯没有带隙（零带隙），妨碍了其在电子晶体管中的应用。因此，寻找打开石墨烯带隙的方法变得尤为重要，特别是对于开发石墨烯基的电子元件。其中，最常见打开石墨烯带隙的方法是将电荷载流子约束在宽度为纳米级的一维石墨烯半导体带中，即石墨烯纳米带（graphene nanoribbons, GNRs）。另一种获得石墨烯带隙的方法是将“缺陷”（defects）引入到石墨烯的sp2碳框架中。从能量稳定性而言，五边形-七边形对是一个合理的“缺陷”模型，其可以通过原子的错位产生。目前，石墨烯“缺陷”的研究仍处于萌芽阶段，主要还是通过理论计算的方法来研究和预测“缺陷”对石墨烯性能的影响。而有关拓扑“缺陷”（如五边形和七边形等）对石墨烯的化学和物理性质的影响仍然知之甚少，这是由于难以实现原子精度“缺陷”结构的设计和性能调控。

 

　　图1、合成具有五元环和七元环的非苯类纳米石墨烯2A和2B。绿色：通过甲基氧化获得的七元环；紫色：通过氧化环化脱氢获得的七元环；红色：通过重排反应获得含有五元环的戊烯（pentalene）和茚满二烯（as-indacene）结构。

 

　　最近，德国德累斯顿工业大学冯新亮课题组、香港大学刘俊治课题组和瑞士联邦材料科学与技术实验室Roman Fasel合作。设计并合成了含有功能性基团的大π分子前体化合物1，其可以把两个五元环首先预装在化合物1中（图1）。然后利用表面合成化学，成功地在金表面（Au(111)）上合成了含有五元环和七元环的非苯类纳米石墨烯2A和2B（图1）。值得注意的是，通过表面催化的环重排反应，在2A和2B中形成了独特的戊烯（pentalene）和茚满二烯（as-indacene）结构。通过高分辨率扫描隧道显微镜（STM）和非接触式原子力显微镜（nc-AFM）的结合，可以实现其单个化学键的分辨。因此通过2A和2B的nc-AFM图，能够清楚的区分出非苯类纳米石墨烯2A和2B中的每个五元环和七元环（图2c和图2d）。通过扫描隧道光谱（STS）研究和密度泛函理论（DFT）计算，2A和2B 具有独特的自由基特征（自由基指数：y2A= 0.61; y2B= 0.33）和低的能带结构（2A: 0.96 eV; 2B: 0.85 eV, 图2g和图2h）。

 

　　图2、 a,b）2A和2B的高清STM图。c,d）2A和2B的nc-AFM图，如图中箭头所示，可以明显区分出五元环和七元环的形成。e,f) DFT计算的2A和2B在金表面上的结构俯视图。g,h) 2A和2B的STS dI/dV光谱图。

 

　　该工作深入探讨了这种拓扑“缺陷”（如五元环和七元环等）对石墨烯化学和物理性质的影响，为合成原子精度的非苯类纳米石墨烯提供了一种可行的策略。上述相关研究成果在线发表在J. Am. Chem. Soc. 上。

　　　　

　　"CGIA企业需求服务中心"是由石墨烯联盟（CGIA）成立的，以推动石墨烯下游应用为己任，致力于搭建供需对接平台的服务部门。中心着力于解决需求痛点，创新服务模式，为企业提供专业、高效、精准的需求对接服务，主张以解决需求痛点，提升企业价值，实现共同成长为目标；以支撑企业精准把握市场定位，推动产品技术转型升级，加快技术产品应用推广及商业化，助力区域新旧动能转换为价值体现。我们期待怀揣梦想，志同道合的朋友找到我们，一起去征服梦想和未来~