PRL: 深度揭示結構缺陷對單分子線的機械和電學性能的影響

【引言】

石墨烯具有極高的機械和電子特性，其一維條紋石墨烯納米帶（GNRs）因預計具有相似的性質而備受關注。然而，與半導體器件相比，晶體缺陷具有核心作用，在所有分子線研究中，通常認為分子是完整的。同時，理論計算表明，即使分子結構的微小化學變化也會影響它們的電荷傳輸性能。

【成果簡介】

?近日，德國馬克斯普朗克學會Matthias Koch等研究人員通過單分子STM/AFM拉伸實驗研究了隨機分布的結構缺陷對機電性能的影響，揭示了結構缺陷是如何影響單個石墨烯納米帶的電氣和機械性能的。在理論上，石墨烯納米帶的表面聚合受的協同效應控制。除此之外他們發現，在原子模擬的輔助下，缺陷極大地改變了分子基體的耦合，并且在極大地增加了石墨烯納米帶柔韌性的同時保持了它們理想的電子性能。通過使用STM/AFM，他們不僅可以識別單個GNR中存在的缺陷，而且還可以確定缺陷的精確位置，并將其機械特性和電導與其化學結構相關聯。該研究發表于Physical Review Letters，題為“How Structural Defects Affect the Mechanical and Electrical Properties of Single Molecular Wires”。

?【圖文導讀】

?圖1. 聚合過程表示與表征

（a）Au(111)上的聚合過程。（上：DBDA在170℃下聚合成蒽低聚物。中：在330℃形成的未完全脫氫帶，例如具有兩個缺陷的GNR的化學結構（以藍色表示的向上指向的蒽基，以橙色表示的平面蒽單元）。底：在400℃下形成的完全脫氫的GNR。）

（b）吸附在具有多種缺陷的Au(111)上的GNR的STM圖像。

（c）平均缺陷數與退火溫度的函數關系。

（d）根據色帶長度找到相關隨機分布的缺陷的可能性。垂直線表示在實驗中觀察到的平均長度（13nm和15個二蒽單元）

（e）實驗分布（正方形）和隨機分布的缺陷的計算概率（圓圈）與缺陷數量的函數關系。圖中計算了一條帶的概率，該帶對應于平均的實驗長度。

（f）平均彎曲角度α，如（b）所示，作為缺陷數量的函數。

（g）針對不同彎曲角度α計算的吸附帶能量。

圖2. （a）和（b）的Δf跡線具有STM圖像中所示的缺陷

（a）和（b），分別對應于尖端高度0 ?時I=100 pA，U=1 V和I=100 pA且U=-1 V的點，且（a）和（b）拉伸實驗期間的偏壓分別為0和0.8V。

圖3. 原始GNR和具有缺陷的GNR模擬

（a）原始GNR（黑色）和具有四個缺陷（綠色）的GNR的模擬力。（b），（c）分別為拉伸過程中平面吸附或向上指向苯環的質心高度。為了比較，在（a）和（b）之間繪制了缺陷GNR縮略的化學結構。

（d）-（i）為在拉伸缺陷GNR期間與力的峰值和谷值相關的分子快照。目前分離的平面或向上指向的蒽單元分別由（d），（f），（h）和（e），（g），（i）中的箭頭表示。

?圖4. 偏壓下的四個缺陷的GNR的曲線

（a）在+1.8 V偏壓下拉伸的具有四個缺陷的GNR的曲線。藍色曲線（電流除以指數擬合）突出了缺陷的影響。

（b）同時記錄電流和Δf的拉伸實驗。拉伸實驗的偏置電壓為0.9 V。當Δf信號中出現特征時，色帶完全脫離?140°。由于放大器的檢測限，不能看到相應的電流下降。（a）和（b），分別對應于尖端高度0 ?時I=100 pA、U=0.1 V和 I=100 pA、U=0.9 V的點。

（c）是放大顯示分離過程（b）的插圖。

（d）為當分離向上（藍色）或平面單元（橙色）時GNR的透射曲線。

?【小結】

該研究結果表明，結構缺陷大大增加了GNR的機械靈活性，但幾乎不影響它們的整體電導率。因此，引入二維材料中的結構缺陷對于納米技術的未來應用是有意義的，其中以電連接單獨的碳基分子組件并且同時確保增強了最終電路的架構的靈活性。此外，這些缺陷也可用于局部調整類似于半導體器件的分子線的電子或光學性質。

文獻鏈接：How Structural Defects Affect the Mechanical and Electrical Properties of Single Molecular Wires (Physical Review. Letter 2018, DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.047701)

本文由材料人計算材料組Annay供稿，材料牛整理編輯。

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