[发明专利]石墨烯纳米带的制备方法

说明书

本发明涉及石墨烯纳米带（graphene nanoribbons,GNR）领域。石墨烯纳米带是准一维分子，其长度可高达几十纳米。这样的石墨烯纳米带，如在Cai et al.Nature466,470(2010)所描述的石墨烯纳米带，在用于未来的电子电路具有巨大的潜力。

目前已有不少用于生产石墨烯纳米带的制备方法，然而，即使可以，这些方法也具有缺点，即制备出在空间上定义的对齐方向的石墨烯纳米带具有很大难度。

因此，本发明的目的是开发一种制备石墨烯纳米带的方法，使获得的纳米带在空间定位上具有更高的调整精度。

根据本发明的权利要求1的方法可以实现该目的。因此，提供了一种制备石墨烯纳米带的方法，其包括以下步骤:

a）在真空下，在一种具有各向异性金属表面的金属存在的条件下，加热一种合适的前体材料，所述金属的氧化还原电势大于等于0.5V。

令人惊奇地发现，通过该过程制备出的石墨烯纳米带的空间定向可以至少部分地甚至是广泛地进行调整，这取决于具体的应用。在大多数情况下，石墨烯纳米带使其本身朝向各向异性的金属表面对准；因此，就可以假设（但不被理论所限制）金属表面的各向异性可以在很大程度上引导石墨烯纳米带的定向。

在本发明的意义上，术语“石墨烯纳米带”特别涉及一种在一维方向共价连接的石墨烯层的分子。该石墨烯层具有几何学锋利（geometrically sharp）和分子规模的轮廓分明的边界，例如，直链的或锯齿形结构。

在本发明的意义上，术语“各向异性金属表面（anisotropic metal surface）”是指在特定的台阶单晶表面（stepped single crystal surfaces），优选为那些具有高指数台阶单晶表面，例如采用的（775）或（788）。

在本发明的意义上，术语“氧化还原电势”特别是指在电化学序列（25℃、101,3千帕；pH值=0；离子活动=1的标准电位）的金属的电位(Mⁿ⁺+n e^-=>M)。

根据本发明的一优选实施方式，金属选自以下物质：Au、Ag、Cu、Fe、Co、Ni、Pd、Pt、Ir、Ru、Rh和其混合物。这些金属已经在实践中证明了自己。

根据本发明的一优选实施方式，各向异性金属表面选自以下表面：[12,11,11]、[11,9,9]、[433]、[755]、[322]、[11,12,12]、[455]、[577]、[233]、[788]及[775]表面，特别是金和银的表面。已经表明，在许多情况下，所得到的石墨烯纳米带的质量都大大提高了。

根据本发明的一优选实施方式，前体材料包括具有至少两个卤素和至少三个芳环的芳香族卤化物。需要指出的是，术语“前体材料”，虽然写的单数形式，但并不意味着不能使用混合物材料，相反，在实践中，这的确也是这样。

优选地，卤化物为氯化物，溴化物，碘化物，优选为是溴化物和/或氯化物。

优选地，前体材料包括芳族卤化物，其中芳族卤化物的两个芳环通过单键相连（类似于联苯）。已经表明，在很多情况下，可以很大程度地提高形成纳米带的倾向。更优选的是，材料中的一个或多个卤化物是对位（p-position）的“联苯基”键。

优选地，前体材料包括具有至少一个多环芳香体系的芳香族卤化物，其中，优选地，该体系具有两到四核。优选地，前体材料由数个这样的芳香体系构成，优选为由碳-碳单键构成（类似于联苯）。

该前体材料可以以这样的方式构成：所有的碳原子形成芳香环或环体系；在其他实施方式中，优选地，该前体材料也可以为由脂肪族碳原子构成的材料（优选地，以烷基或卤代烷基残基的形式）。在这种情况下，特别优选的是退火的环己烷环（类似于在四氢化萘）。已经证实纳米带可以以这种方式“扩大（broadened）”。

根据本发明的一优选实施方式，步骤a）在大于等于150℃且小于等于500℃之间的温度范围下进行加热。这已被证明是特别有效的做法。

根据本发明的一优选实施方式，步骤a）在大于等于1×10^-11毫巴且小于等于5×10^-4毫巴的压力范围下进行。优选地，在压力大于等于1×0^-10毫巴下进行，更优选地，在大于等于1×10^-9毫巴且小于等于5×10^-10毫巴的压力下进行。

根据本发明的一优选实施方式，步骤a）包括步骤a1）和a2）：

a1）加热至温度大于等于150℃且小于等于300℃；