前不久，法国国家科研中心的斯特拉斯堡物理化学材料研究所博士后，江嵩，担任第一作者兼共同通讯的 Science 论文终于和大众见面，在这篇论文中，江嵩和所在团队借助表面在位合成、STM（Scanning Tunneling Microscope，扫描隧道显微镜）针尖操纵、以及 STM 诱导发光等技术，让单根石墨烯纳米带实现了本征电致发光。

研究中，他们先是利用表面在位合成技术，在金单晶表面制备不同长度的石墨烯纳米带。其次，他们在样品表面进一步沉积超薄脱耦合层，并利用 STM 针尖将不同长度的石墨烯纳米带，从金属表面转移到脱耦合层上，以抑制荧光淬灭效应。最后，对于脱耦合后的石墨烯纳米带，他们使用 STM 针尖注入一定能量的电子，借此来测量石墨烯纳米带的电致发光。

另外，课题组结合理论计算，探讨了石墨烯纳米带在电致发光过程中所涉及的电子激发态、以及电子-振动发光特性等。江嵩表示，研究期间所使用的技术，可以很容易地拓展到其他石墨烯纳米带上。这也意味着对于在单分子水平上研究石墨烯纳米带的光电性质来说，本次成果可以提供新的思路。

石墨烯纳米带是什么？

石墨烯具有常温下高于纳米碳管或硅晶体的电子迁移率、低于铜或银的电阻率等物理特性，因此成为了制备功耗更小、速率更高的新一代纳米电子元件的重要基础性材料。然而，石墨烯是零禁带的半导体，要应用到半导体器件中，必须实现禁带宽度的扩展，其中一个方法是制备石墨烯纳米带。

石墨烯纳米带是一种特殊的石墨烯，性能上有部分区别于石墨烯的优势，作为纳米材料应用于电子器件（包括半导体传感器、芯片等非常火的行业），也是相对有前景的一类材料。

石墨烯纳米带大概宽度小于50 nm，是一种准一维碳纳米材料。石墨烯纳米带的两个边缘结构破坏或影响了石墨烯中的大π键，改变了理想石墨烯的均匀电子结构，在实际应用中石墨烯纳米带具有强烈的边缘效应和复杂的电学性质。石墨烯纳米带因其边缘的不同分为典型的锯齿型石墨烯纳米带和扶手椅型石墨烯纳米带。不同边缘构型的纳米带具有不同的电子结构及性质，锯齿型石墨烯纳米带在费米面附近存在局域化边界态，表现为金属性；而扶手椅型石墨烯纳米带的性质随宽度变化发生周期性改变。

由于石墨烯纳米带的尺寸非常小，所以具有很强的量子限制效应。相比宏观材料，它有着完全不同电学、磁学、力学和光学性质，因此有望用于电子学、光电学和自旋电子学等领域。同时，这些性质强烈依赖于石墨烯纳米带的尺寸、边缘结构和宽度。要想合成石墨烯纳米带，可以通过化学气相沉积、光刻或切割石墨烯片等方法。然而，这些合成方法都无法实现石墨烯纳米带的精准合成。

从单分子水平研究石墨烯纳米带的光学性质

1、为何石墨烯纳米带光学性质的讨论很少？

尽管针对石墨烯纳米带电子结构的研究一直都比较火热。但是，学界对其光学性质的讨论始终相对不多。主要原因有二：

首先，依托于金属表面的催化作用，石墨烯纳米带在合成后直接吸附在金属表面，从而与金属之间发生极强的相互作用，进而带来荧光淬灭效应。

其次，借助表面在位合成技术，依旧无法准确控制石墨烯纳米带的长度。对于不同长度的石墨烯纳米带来说，即使将它们转移到脱耦合层或溶液里，常规的光学技术只能测量这些不同纳米带的平均的光学性质。

正因此，在单分子水平上研究石墨烯纳米带的光学性质的科研成果一直都比较少。基于此，江嵩等人开展了本次研究。

2、石墨烯纳米带首次可控稳定发光

2018年，意大利和法国研究团队首次通过实验观察到7个原子宽的石墨烯纳米带的高强度发光现象，强度与碳纳米管制成的发光器件相当，并且可以通过调节电压来改变颜色。这一重大发现有望极大地促进石墨烯光源的发展。相关成果发表《纳米快报》杂志上。

这项新研究由意大利CNR纳米科学研究所和法国斯特拉斯堡大学的研究团队共同完成。研究人员介绍，一般来说，分子尺度器件构成的基本系统非常有趣，但相当不稳定，产生的信号量有限。但此项研究证明了单条石墨烯纳米带可被用作强烈的、稳定的和可控的光源，这是实现纳米有机体系应用于光电子真实世界的决定性步骤。

最新研究表明，当石墨烯被切成几个原子宽的薄带后，就获得了相当大的光学带隙，带来了发光的可能性。

实验结果预示着，石墨烯纳米带具有尚待开发的巨大潜力。测试表明，单条石墨烯纳米带展现出高达每秒1000万个光子的强烈光学发射，强度比单分子光电子器件的发射高100倍，可与碳纳米管制成的发光器件媲美。

此外，研究人员还发现，电能转换随着电压变化而变化，为调节光的颜色提供了可能。这些观察结果为进一步发掘石墨烯纳米带发光的潜在机制，做了很好的铺垫。

近乎完美地解释电子振动光谱

在 2016 年之前，江嵩实验室主要的研究方向是纳米线的光电测量。经过一系列研究之后，在各种纳米线之中，他们选择了石墨烯纳米带。原因主要有三：

其一，在这类样品制备上，他们具备一定的经验；

其二，2016 年已有课题组将石墨烯纳米带成功转移到氯化钠上；

其三，此前很少有人研究石墨烯纳米带的光学性质，少有的几个研究也都是基于薄膜或溶液等系统体系。

江嵩表示，他们的实验主要涉及到：利用 STM 针尖将石墨烯纳米带提起，并转移到氯化钠脱耦合层上，然后对石墨烯纳米带进行成像和测量。

实验中主要有两大挑战：样品制备和 STM 针尖。

在样品制备上，他们首先采用表面在位合成技术，在金表面合成 7- 扶手椅型石墨烯纳米带 （7-AGNRs）；然后，进一步地沉积氯化钠脱耦合层。需要说明的是，在实验中他们只能研究氯化钠脱耦合层附近的石墨烯纳米带，因为在石墨烯纳米带转移的过程中，无法跨过其他的石墨烯纳米带。为了研究不同长度石墨烯纳米带的发光性质，以及保证实验的可重复性，在耗费大量时间之后，他们终于在样品表面寻找到合适的区域。找到理想区域之后，更大的挑战就是针尖。针尖需要完成四种任务：操纵石墨烯纳米带、实现 STM 成像、完成电子态测量、以及完成光谱测量。

每一个任务都给针尖提出了极高的要求。江嵩表示：“一般来说针尖能够完成两三个任务就已经非常幸运。最常见的情况是在完成石墨烯纳米带的转移任务后，针尖对于石墨烯纳米带的 STM 成像非常差。而在获得清晰图像之后，针尖的发光又会变得非常弱。”

幸运的是，尽管江嵩需要一并完成多项任务，但是在十几天后所有状态都非常完美，他也成功观察到了来自脱耦合的石墨烯纳米带的发光。其表示：“我们在实验中发现，从其中一些类型的石墨烯纳米带上并不能观察到电致发光，而我们尝试的第一种石墨烯纳米带正好就是可以发光的。这说明我们当初的选择是非常幸运的。”接着，他测量了更多的石墨烯纳米带，并深入分析了光谱数据。“印象最深刻是有整整一个星期，针尖的状态都特别好。每一天我都可以研究一根不同的石墨烯纳米带。”江嵩表示。

在机理讨论上，他们更是大胆假设、小心求证。由于发光过程涉及到电子从激发态、到基态的跃迁，而对于石墨烯纳米带这种大尺度的开壳层体系来说，基态计算就已经颇具挑战性，要想激发态的性质更是难上加难。“但是我们组里负责理论计算的同事，不但成功地解释了发光过程中所涉及到的激发态，更是近乎完美地解释了电子振动光谱。另外，我们还提出了基于多体理论的激发机制，我们认为这种激发机制具有很强的普适性。”江嵩说。

最终，相关论文以《单石墨烯纳米带中的拓扑局域激子》（Topologically localized excitons in single graphene nanoribbons）为题发在 Science 上，江嵩是第一作者兼通讯作者，法国国家科研中心纪尧姆·舒尔（Guillaume Schull）教授担任通讯作者。

随后，江嵩等人对上述激发机制的普适性进行了更加详细的探讨。相关论文以《带电分子的 STM 诱导荧光的多体表述》（Many-Body Description of STM-Induced Fluorescence of Charged Molecules）为题发表在 Physical Review Letters 上，在被期刊主编推荐之后，还成为了当期亮点论文。

求学生涯跨越中美法，即将研究石墨烯纳米带的光电现象

据介绍，江嵩本科就读于大连理工大学，后来到中国科学技术大学攻读直博。读博期间，其致力于研制和发展基于 STM 的高分辨光学成像技术。

拉曼光谱技术可以提供分子本征的振动信息，是分析物质组成的重要技术。

但是，受限于光学衍射的极限，该技术所能实现的空间分辨率只有几百纳米，这让科研人员无法在分子水平上研究微观物质的组成与结构、以及分子间的相互作用。

为此，读博期间的江嵩和当时所在的团队，基于超高真空低温 STM 系统，研发出一款单分子拉曼散射光谱检测装置。

随后，他利用这套针尖增强拉曼（TERS，tip-enhanced Raman spectroscopy）测量系统，面向接触距离在范德华相互作用范围内的不同卟啉分子，实现了清晰的化学识别。所测得的拉曼光谱，可以清晰地区分分子的“身份”和结构。

2016 年博士毕业之后，他以博士后身份加入美国西北大学，主要负责研发和发展电化学条件下的 TERS 技术。

期间，他利用自建的电化学 TERS 技术，在酸性水溶液中获得了原子级平整的金衬底表面、分子分辨的酞菁单层分子膜 STM 成像、以及高信噪比的 TERS 光谱。

2019 年，江嵩以博士后身份加入到法国 IPCMS，并在那里工作至今。

下一步，江嵩和所在团队将研究其他类型的石墨烯纳米带，同时也将发展近场光学测量的新方法。

具体来说，扶手椅型石墨烯纳米带的电子结构相对比较简单，它之所以能够电致发光，是因为受到拓扑边缘态相关的“暗态”激子的退激发，但它在调控性质上依旧存在一定限制。

当前，学界已经报道了许多石墨烯纳米带，它们都具有非常特异的电子结构。

基于此，江嵩所在团队已经选出一些纳米带，并和研发这些纳米带的课题组开展合作，希望可以发现电子结构与发光性质的关联，进而实现石墨烯纳米带发光的可控性调节。

另外，在本次研究中江嵩等人还提出了基于多体理论的电致发光机制，该机制涉及到电子的转移过程，因此发光过程会受到电子/空穴注入机制的调控。

相比之下，光子激发过程无需依赖电子的转移，所以可能会观察到更丰富的现象。“所以我们计划使用不同的近场光学技术，来研究石墨烯纳米带的光电现象。”江嵩最后表示。

文章来源： 特设观察员，科技日报，DeepTech深科技