[论文解读] 2D abrupt nano-junctions blending sp-sp2 bonds on atomically precise heterostructures

Alice Cartoceti, Simona Achilli+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2026

Graphene research and applications被引用 0

一句话总结

简述：在 Au(111) 表面展示了 armchair 石墨烯纳米带与金属化氢化 graphdiyne 网络之间的共价横向异质结构的表面内合成；分析形成机理、Br/H 控制及电子传输影响。

ABSTRACT

Two-dimensional heterostructures combining sp-sp2 hybridization,blending graphene with graphyne-based allotropes, offer substantial potential for enhancing the tunability of electronic and transport properties while providing significant structural flexibility. These attributes are desirable for next generation nanoscale electronic applications. Despite such potential, their experimental realization remains elusive, as synthesized carbon heterostructures are limited to doped, graphene-based systems exhibiting exclusively sp2 hybridization. Here, we demonstrate the on-surface synthesis of covalently bonded sp-sp2 lateral heterostructures between graphene nanoribbons and graphdiyne networks on Au(111). Atomic-resolution scanning tunnelling microscopy, combined with density functional theory, reveals the formation mechanism of the covalent interfacial bonds between nanoribbons and graphdiynes, also highlighting the key role of surface chemistry. Bromine atoms deriving from the molecules dehalogenation and chemisorbed along the nanoribbon inhibit the junction formation, but bonding efficiency can be boosted up to 71% by controlled removal of these by-products. Electronic structure and transport calculations show that the 2D heterostructure by itself is characterized by disentangled properties for the two subsystems, forming an atomically narrow junction enabling voltage-tunable spatial current separation in two dimensions. There results define a viable strategy for engineering graphene-based sp-sp2 heterostructures, paving the way for the design and synthesis of all-carbon nanoscale electronic architectures.

研究动机与目标

• 在 Au(111) 上通过表面内合成展示共价结合的 hGDY–aGNR 横向异质结构。
• 通过 LT-STM 与 DFT 阐明键合机理及在连接处形成中 Br 原子的作用。
• 量化原子氢对键合效率的影响。
• 表征自由生长与 Au 支撑的异质结构的电子结构与传输性质。

提出的方法

• 在 Au(111) 上以 DBTP 和 tBEB 前体进行表面内合成，在 aGNR 之间形成金属化 hGDY。
• 低温 STM，使用 CO 功能化探针以分辨共价界面与键长。
• 密度泛函理论建模键合构型（Top、Bridge、1H、2H）并计算 PDOS。
• 非平衡格林函数（NEGF）传输计算以获得 T(E) 与本征通道。
• 通过氢气曝气来调节 Br 表面密度并评估键合效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 Au(111) 的石墨烯纳米带–graphdiyne 界面能否建立共价 sp–sp2 键合？
• RQ2 hGDY–aGNR 界面的键合机理与首选构型为何？
• RQ3 Br 台原子与原子氢曝气如何影响异质结的形成效率？
• RQ4 金属衬底如何影响异质结的电子结构与传输？
• RQ5 全碳电子急剧界面的潜在器件含义是什么？

主要发现

• 在 530 K 的退火后形成共价的 hGDY–aGNR 键，90° 处占比 83%，相对于 GNR 轴的 60°-120° 区间占比 17%。
• 界面处的 C–C 键长约为 1.151 Å（约 151 pm）。
• 形成很可能从‘Top’ 架构开始，随后转变为‘1H’ 或‘2H’，在界面处发生杂化变更（从 sp 到 sp2 或 sp3）。
• 自由生长的 hGDY–aGNR 显示保持的 DOS 特征且界面陡峭，而 Au(111) 支撑的连接显示基底诱导的 DOS 移位，并存在约 0.5 e 的从 hGDY 向 aGNR 的电子转移。
• Br 原子密度显著影响键合效率：标准 Br 密度约 0.53 nm^-2 时约有 47% 的键合；将 Br 增至约 0.84 nm^-2 降至约 31%；通过原子氢曝气将 Br 降至约 0.19 nm^-2 时，键合效率上升至约 71%。
• 电子传输计算表明在某些能量处存在多条传输通道，在自由生长情况下 aGNR 与 hGDY 区域可能实现电流空间分离。