NUS-forskare har tagit fram en ny metod för syntes av nanografenmolekyler med högt produktutbyte för utveckling av nästa generations kvantenheter.

Kemiska reaktioner på ytan har visat potential i syntesen av nya organiska funktionella material såsom atomärt exakta nanografener. Kärnkonceptet för denna strategi bygger på den rationella designen av specifika molekylära prekursorer, som därefter genomgår kemisk omvandling längs vissa reaktionsvägar mot den önskade produkten. Den elektroniska, magnetiska och optiska egenskaper hos dessa nanografenmolekyler kan justeras exakt för utvecklingen av nästa generations kvantenheter. Tyvärr, konventionella ytassisterade syntetiska vägar involverar ofta en serie kaskadreaktioner med konkurrerande reaktionsvägar. Detta leder oundvikligen till bildningen av många oönskade produkter och sänker utbytet. Det begränsade utbytet av de riktade produkterna utgör en utmaning för praktiska tillämpningar av nanografenerna.

Ett NUS-forskarteam ledd av professor Jiong Lu, i samarbete med professor Jishan Wus forskargrupp, både från Kemiska institutionen, NUS har utvecklat en väg för att syntetisera den hexagonala sicksackkantade nanografenen, känd som circumcoronene, på ett koppar (111) substrat. Reaktionsvägen är beroende av den robusta dehydrogenativa kopplingen av metylgrupperna vid de intilliggande platserna för de rationellt utformade prekursormolekylerna, följt av ringslutningsreaktionerna på det metalliska substratet. Detta bildar den svårfångade sirkumkoronenmolekylen som består av 19 fusionerade bensenringar. Viktigt, en sådan syntetisk väg möjliggör ett ultrahögt utbyte av reaktionsprodukten (upp till 98%), som hittills inte har uppnåtts.

De elektrostatiska interaktionerna mellan det stora antalet sirkumkoronenmolekyler och kopparsubstratet gjorde det möjligt för molekylerna att självmontera till förlängda supergitter. Detta observerades av teamet med hjälp av bindningsupplösta skanningsprobmikroskopmätningar. Forskarna visar att den unika hexagonala sicksacktopologin för circumcoronenes, tillsammans med deras periodiska elektrostatiska landskap, begränsar den tvådimensionella (2-D) elektrongasen på kopparytan (111). Detta skapar ett kiralt elektroniskt Kagome-bikakegaller med två framväxande elektroniska platta band. Detta arrangemang av sirkumkoronenmolekylerna i ett regelbundet rutnät av hexagoner och trianglar kan vara särskilt intressant inom ett brett spektrum av kondenserad materiens fysik på grund av deras gynnsamma potential i förverkligandet av en mängd olika exotiska mångakroppsfenomen, inklusive anomala kvanthallstillstånd, Wigner kristallisation, och topologiska isolerande övergångar.

Prof Lu sa, "Våra resultat öppnar upp en ny väg för syntes av nanografen med ultrahögt utbyte och atomärt exakt tillverkning av syntetiska tvådimensionella gitter med unika elektroniska egenskaper för framtida tekniska tillämpningar."