石墨烯納米帶可控合成與性質研究

石墨烯受到了*科學家的廣泛關注。石墨烯是單原子層的石墨晶體薄膜，其晶格是由碳原子構成的二維蜂窩結構。一維尺度受限的石墨烯納米帶具有半導體性能，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0 nm的石墨烯納米帶是目前首先要解決的科學問題。現已報道的制備方法主要有光刻蝕法、化學法和有機合成法。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構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。
 
    在國家自然科學基金委和中國科學院的支持下，中國科學院化學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研究方面取得新進展， 相關研究工作發表在近期的美國化學會志（J. Am. Chem. Soc. 2008， 30， 7970-7976）上。
 
    苝-3，4:9，0-四羧酸二酰亞胺（苝酰亞胺）是一類研究廣泛的光電材料，在有機發光二極管﹑太陽能電池﹑有效應晶體管等方面都得到廣泛應用。從分子結構上看，苝酰亞胺是由苝核和具有強吸電子能力的酰亞胺基團構成，其bay位提供了豐富的化學反應的可能性。研究人員希望以苝酰亞胺為重復單元沿其bay位構筑寬度受限（ 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構、特殊的光電性質和潛在的應用價值。
 
    前期工作中，研究人員開發了一種簡單的合成方法，通過偶聯反應將兩分子苝酰亞胺沿其bay位結合在一起，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有很寬的吸收和較高的摩爾消光系數，而且還具有*的得電子能力，是一類重要的n型光電材料（J. Am. Chem. Soc. 2007， 29， 0664—0665; Org. Lett.。 2008， 0， 2337-2340.）
 
    在以上工作基礎上， 研究人員發現四溴苝酰亞胺在碘化亞銅和L-的活化下可以實現多分子間的偶聯反應，得到了不同尺度大小的并苝酰亞胺，實現了酰亞胺基團功能化的石墨烯納米帶的化學合成，通過液相分離了兩種三并苝酰亞胺異構體，進一步地結合實驗方法和理論計算明確闡明了其結構。此外，研究人員還系統地總結了苝酰亞胺和二并、三并苝酰亞胺的結構、光電性質、軌道能級及其由苝酰亞胺單元的增多所導致的變化規律。此規律的總結將有助于進一步地預測和研究具有更多苝酰亞胺單元的石墨烯納米帶的結構和性質，為其在有機光電器件上的應用打下基礎。