石墨烯納米帶可控合成與性質(zhì)研究

自2004年Geim發(fā)現(xiàn)石墨烯(graphene)以來，石墨烯受到了全科學(xué)家的廣泛關(guān)注。石墨烯是單原子層的石墨晶體薄膜，其晶格是由碳原子構(gòu)成的二維蜂窩結(jié)構(gòu)。一維尺度受限的石墨烯納米帶具有半導(dǎo)體性能，未來可能整合于高性能計算機芯片，增加芯片速度與效能、降低耗熱量。然而，制備寬度小于10 nm的石墨烯納米帶是目前先要解決的科學(xué)問題?，F(xiàn)已報道的制備方法主要有光刻蝕法、化學(xué)法和有機合成法。相對于其他方法，通過自下而上的有機合成法可以制備具有確定結(jié)構(gòu)而且無缺陷的石墨烯納米帶， 并可以進一步對石墨烯納米帶進行功能化修飾。

在自然科學(xué)基金委和科學(xué)院的支持下，科學(xué)院化學(xué)研究所有機固體院重點實驗室的研究人員在石墨烯納米帶的可控合成與性質(zhì)研究方面取得新進展， 相關(guān)研究工作發(fā)表在近期的美國化學(xué)會志(J. Am. Chem. Soc. 2008， 130， 17970-17976)上。

苝-3，4:9，10-四羧酸二酰亞胺（苝酰亞胺）是一類研究廣泛的光電材料，在有機發(fā)光二管﹑太陽能電池﹑有機場效應(yīng)晶體管等方面都得到廣泛應(yīng)用。從分子結(jié)構(gòu)上看，苝酰亞胺是由苝核和具有強吸電子能力的酰亞胺基團構(gòu)成，其bay位提供了豐富的化學(xué)反應(yīng)的可能性。研究人員希望以苝酰亞胺為重復(fù)單元沿其bay位構(gòu)筑寬度受限（1 nm左右）長度可控的石墨烯納米帶。這類具有酰亞胺基團功能化的石墨烯納米帶具有新穎的結(jié)構(gòu)、特殊的光電性質(zhì)和潛在的應(yīng)用價值。

前期工作中，研究人員開發(fā)了一種簡單的合成方法，通過偶聯(lián)反應(yīng)將兩分子苝酰亞胺沿其bay位結(jié)合在一起，合成出二并苝酰亞胺。二并苝酰亞胺及其衍生物在可見光區(qū)有很寬的吸收和較高的摩爾消光系數(shù)，而且還具有強的得電子能力，是一類重要的n型光電材料(J. Am. Chem. Soc. 2007， 129， 10664—10665; Org. Lett.。 2008， 10， 2337-2340.)

在以上工作基礎(chǔ)上， 研究人員發(fā)現(xiàn)四溴苝酰亞胺在碘化亞銅和L-脯氨酸的活化下可以實現(xiàn)多分子間的偶聯(lián)反應(yīng)，得到了不同尺度大小的并苝酰亞胺，實現(xiàn)了酰亞胺基團功能化的石墨烯納米帶的化學(xué)合成，通過液相分離了兩種三并苝酰亞胺異構(gòu)體，進一步地結(jié)合實驗方法和理論計算明確闡明了其結(jié)構(gòu)。此外，研究人員還系統(tǒng)地總結(jié)了苝酰亞胺和二并、三并苝酰亞胺的結(jié)構(gòu)、光電性質(zhì)、軌道能級及其由苝酰亞胺單元的增多所導(dǎo)致的變化規(guī)律。此規(guī)律的總結(jié)將有助于進一步地預(yù)測和研究具有更多苝酰亞胺單元的石墨烯納米帶的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，為其在有機光電器件上的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。