Door zuurstof bevorderde synthese van grafeen nanoribbons uit fauteuils op Cu (111)

Synthese op het oppervlak heeft veel aandacht gekregen als een methode om atomair nauwkeurige eendimensionale (1D) en tweedimensionale (2D) polymeren met intrigerende eigenschappen te creëren. Met name grafeen nanoribbons (GNR’s), een categorie quasi-1D nanomaterialen afgeleid van grafeen, zijn uitgebreid bestudeerd vanwege hun afstembare elektronische eigenschappen en mogelijke toepassingen in halfgeleiderapparaten, zoals veldeffecttransistors en spintronica. Er is een reeks top-down benaderingen gevolgd om GNR’s te produceren, maar een gebrek aan controle over de lintbreedte en randstructuur heeft hun verdere ontwikkeling belemmerd.

In 2010 hebben Cai et al. rapporteerde ten eerste de fabricage van een atomair nauwkeurige fauteuil GNR (AGNR) op het Au (111) -oppervlak met behulp van een bottom-up benadering. Het basismechanisme omvat thermisch geactiveerde dehalogenering, oppervlaktegestuurde polymerisatie en tenslotte cyclodehydrogenering.

In het volgende decennium is deze bottom-upbenadering uitgebreid om een ​​grote verscheidenheid aan GNR’s te synthetiseren, waaronder AGNR’s met verschillende breedten, zigzag-GNR’s, GNR-heterojuncties, chirale GNR’s en chemisch gedoteerde GNR’s. Op basis van de periodieke gelijkenis van hun elektronische structuren, kunnen AGNR’s worden ingedeeld in drie families, 3p, 3p + 1 en 3p + 2 (die het aantal koolstofatomen in de nauwe richting vertegenwoordigen).

Tot dusverre hebben weinig studies zich gericht op GNR-synthese op Cu (111) vanwege de sterkere oppervlakte-interactie, ondanks de lagere temperatuur voor dehalogenering. Er is aangetoond dat chirale GNR’s kunnen worden gesynthetiseerd op Cu (111) met dezelfde precursor die niet-chirale 7-AGNR op Au (111) oplevert en dat dehalogenering reversibel kan zijn op Au (111) maar niet op Cu (111), wat inhoudt dat het reactietraject en de verkregen producten kunnen worden gecontroleerd door de keuze van het substraat.

Een tweede benadering om het reactiepad bij synthese met beperkte oppervlakte aan te passen, is het introduceren van verschillende atomaire soorten, die in slechts enkele recente studies is overwogen. Blootstelling aan jodium creëert een monolaag tussen de polymeren en het Ag (111) -oppervlak die hun elektronische interacties ontkoppelt. Bovendien bleek waterstof halogeenbijproducten te verwijderen en covalente koppeling te induceren, en zwavel om de Ullmann-reactie aan het oppervlak in of uit te schakelen.

Prof. Lifeng Chi’s onderzoeksgroep aan de Soochow University onderzocht onlangs het effect van zuurstof op de synthese van 3-AGNR’s door Ullmann-koppeling aan het oppervlak en stelde vast dat het in plaats daarvan een 1D naar 2D-transformatie van de organometaalstructuren (OM) veroorzaakte.

Hier was hun doel om de synthese van 3p-AGNR’s op Cu (111) te onderzoeken, voortbouwend op de vorige studie over Au (111), en om het effect van zuurstof op laterale fusie van 3-AGNR’s te onderzoeken, geïnspireerd door hun potentieel om CH-activering bevorderen.

Hun onderzoek toonde de succesvolle synthese aan van 3p-AGNRs op Cu (111) via laterale fusie van poly (para-fenyleen) (dwz 3-AGNR). De introductie van co-geadsorbeerde atomaire zuurstof verlaagde de temperatuur die nodig was om de laterale fusiereactie te induceren aanzienlijk. De identificatie van dit katalytische effect zou gunstig kunnen zijn voor synthese op het oppervlak die dehydrogeneringsreacties toepast, niet beperkt tot GNR’s, en benadrukt het potentieel van extra atomaire adsorbaten om oppervlaktereacties te sturen.