石磊副教授、杨国伟教授团队在限域合成均一石墨烯纳米带领域进展

　　石墨烯的零带隙特性从根本上限制了其在逻辑开关等半导体器件领域的直接应用。理论研究表明，当石墨烯被裁剪为准一维的纳米带结构时，量子限域效应和边缘效应将协同作用，诱导出可观的能带带隙。带隙的具体数值主要由纳米带的边缘几何构型(扶手椅型或锯齿型)及其宽度共同决定。因此，实现具有原子级精确边缘结构和均一宽度石墨烯纳米带的可控合成是推动其走向实际应用的关键。

　　然而，现有制备路线各存局限。自上而下的物理或化学切割法难以将宽度控制在2 nm以下，且边缘粗糙、结构不均，导致实测带隙远低于理论预期。自下而上的表面合成法虽能在单原子尺度上精确构筑纳米带，但产率低、前驱体选择范围窄，且严重依赖特定金属单晶衬底，难以规模化制备。因此，开发一种兼具原子级精度和规模化潜力的普适合成策略，是该领域长期追求的目标。

　　针对上述挑战，石磊副教授、杨国伟教授团队此前通过优化前驱体分子，合成了一系列不同宽度的石墨烯纳米带（Carbon 171, 221-229, 2021; Nano Research, 15, 1709-1714, 2022; Nano Research, 16, 10644-10651, 2023; Small Methods, 9, 2401168, 2025; Carbon, 233, 119841, 2025; Small Methods 10, e01886, 2026）。近期，课题组提出了一种基于纳米管限域效应的普适性合成策略，以单壁碳纳米管(SWCNTs)和氮化硼纳米管(BNNTs)为限域反应器，利用各类芳烃分子为前驱体，实现了结构高度统一的0.6 nm宽6-扶手椅型石墨烯纳米带（6-AGNRs）的大规模制备，并进一步拓展至同位素标记及氮掺杂衍生物的精准合成。

　　在经典的表面合成中，4,4'-二溴对三联苯是制备6-AGNRs的典型前驱体，t通过脱氢环化-聚合路径形成纳米带。然而，研究团队发现，在SWCNTs的纳米级限域空间中，反应机制发生了改变。实验表明，不仅是常规的对三联苯，其异构体间三联苯和邻三联苯同样可高效转化为6-AGNRs。进一步拓展前驱体分子范围后发现，单苯环分子、卤代苯乃至含有五元环、七元环及并五-七元环的非苯环烃，均可在限域热退火条件下生成以六元环为唯一结构单元的6-AGNRs。

　　基于上述实验结果，我们提出了自由基介导的生长机制：在限域空间内，各前驱体分子在热作用下首先产生苯环阳离子自由基，这些活性物种随后通过自由基偶联反应自组装形成六元环骨架，最终沿管轴向延伸为扶手椅型纳米带。该路径不同于表面合成中的聚合-脱氢环化过程，因此对前驱体的原始分子几何结构表现出高度的宽容性。该限域合成策略不仅适用于不同直径(1.3nm至2.5 nm)的SWCNTs，在BNNTs中同样可成功实现6-AGNRs的生长。此外，利用氘代溴苯和13C标记的溴苯以及氮掺杂苯环作为前驱体分子，成功合成了氘代和13C同位素及氮掺杂的6-AGNRs，利用共振拉曼光谱及UPS测试，精确测量了掺杂6-AGNRs的光学带隙，整体上呈现出可调谐的电子结构，有望直接应用于纳米电子器件的构筑。

图1 碳纳米管限域合成示意图

图2 6-扶手椅型石墨烯纳米带的限域合成原理、产率和纯度。

　　本工作的核心突破在于，利用限域合成技术及自由基介导的生长路径，将6-AGNRs的合成从“特定前驱体、特定表面”的精细工艺，提升为“广泛前驱体、统一产物”的普适性方法。该方法兼容多种芳香烃及非苯环烃前驱体，适配SWCNTs和BNNTs两类宿主材料，并支持同位素标记和氮原子掺杂的精准引入。结合共振拉曼光谱对带隙的精确测量和UPS对费米能级的系统表征，该策略为石墨烯纳米带的规模化制备与能带工程提供了坚实的技术基础。研究团队指出，该限域合成策略有望进一步拓展至其他类型的石墨烯纳米带，乃至从其他二维原子晶体衍生的纳米带体系，形成一整套“纳米带制造平台”，为低维材料的结构工程与物性调控开辟新路径。

　　该成果于2026年6月16日以“Synthesis of Uniform 6-Armchair Graphene Nanoribbons and Their Isotope and Nitrogen-Doped Derivatives”为题，在线发表在期刊Angewandte Chemie International Edition上；(DOI:
https://doi.org/10.1002/ange.2889387)。本文共同第一作者为我院博士研究生曹会菊、唐鲲鹏、硕士研究生陈颖芝，唯一通讯作者为石磊副教授，杨国伟教授对本工作的完成给予了重要的指导，上海科技大学研究生张文迪、曹克诚教授在电镜表征中做出贡献。中山大学材料科学与工程学院为论文第一完成单位。该研究工作受到国家自然科学基金（52472059）和广东省基础与应用基础研究基金（2025A1515010254）的资助。

　　来源：中山大學材料科学与工程学院