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首先，作者設計了一種邊緣融合卟啉帶和峽灣型石墨烯納米帶的混合體，即卟啉融合石墨烯納米帶（PGNR），如圖1所示。這一設計結合了邊緣融合卟啉帶的極端電子共軛化和峽灣型石墨烯納米帶的柔性側鏈，以提高其溶解度和溶液加工性。下載化學加APP到你手機，收獲更多商業(yè)合作機會。

圖片來源：Nat. Chem.

圖2展示了合成模型化合物的過程，從卟啉單體出發(fā)經(jīng)過Yamamoto聚合和環(huán)化脫氫反應得到目標化合物。實驗結果表明，通過這種方法合成的PGNR具有較窄的光學帶隙和高局部電荷遷移率，顯示出良好的電子性能。此外，在單分子場效應晶體管中，這些PGNR已顯示出較高的遷移率，為單分子電子器件的應用提供了潛在可能性。這一研究為合成具有特定功能性的石墨烯納米結構打開了新的途徑，推動了納米電子器件的發(fā)展。

圖片來源：Nat. Chem.

為了深入了解融合卟啉的石墨烯納米帶（PGNR）的光學特性，作者研究了模型化合物f-P1Ng1a、f-P2Ng1a和f-P3Ng2a在氯仿中的溶液光譜，并觀察到它們呈現(xiàn)出從粉紅色到紫色的顏色，并且隨著分子尺寸的增加，吸收峰向更長波長處移動。此外，通過圓二色譜和時間相關密度泛函理論（TD-DFT）模擬，作者確定了f-P2Ng1a的存在兩個不互相轉(zhuǎn)化的對映體，而f-P3Ng2a可能存在多種立體異構體。

圖片來源：Nat. Chem.

接著，作者合成了PGNR，并通過Yamamoto聚合反應成功得到了高分子量的聚合物PPb。最終，他們通過環(huán)化脫氫反應將PPb轉(zhuǎn)化為PGNRb，并發(fā)現(xiàn)PGNRb在有機溶劑中可溶，具有類似于模型化合物f-P3Ng2a的光譜特性，其光學能隙為1.0 eV。這些結果為深入探究PGNR的光學特性奠定了基礎。

圖4. 卟啉-石墨烯納米帶PGNRs的合成和結構表征。

為了評估PGNRb在電子器件中的潛力，作者使用超快、無接觸的光學泵浦-太赫茲探測（OPTP）光譜對其在溶液中的電荷傳輸行為進行了分析。通過使用光學脈沖和太赫茲脈沖，作者成功地在PGNRb中引入了電荷載流子，然后通過測量太赫茲光譜來研究載流子的傳輸性質(zhì)。實驗結果顯示，PGNRb具有負虛電導和正實電導，其振幅隨頻率增加而增加，符合Drude-Smith模型。通過對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到了PGNRb的參數(shù)，包括載流子的散射時間和優(yōu)先反向散射效應的程度。進一步，通過密度泛函理論（DFT）計算，作者分析了GNR、PGNR和卟啉帶的結構，發(fā)現(xiàn)融合卟啉的石墨烯納米帶具有更大的帶色散，從而導致更小的有效質(zhì)量和更高的載流子遷移率。這些結果表明，PGNRb在電子器件中具有潛在的應用前景，其具有優(yōu)異的電荷傳輸性能，可望應用于單分子電子器件等領域。

圖5. 太赫茲光譜和能帶結構的超快光電導。

為了評估PGNRb在電子器件中的潛力，作者通過制備單納米帶器件進行了電荷傳輸行為研究。這些器件利用PGNRb在兩個石墨烯電極之間形成的納米間隙，實現(xiàn)了源漏（VSD）和柵（VG）電壓的施加，并同時測量源漏電流ISD。在室溫下，這些器件表現(xiàn)出場效應晶體管的行為，具有可觀的帶隙和輕微的p-摻雜。部分器件展現(xiàn)了兩極性行為，能夠接近n-和p-ON狀態(tài)。在低溫下，當電子無法克服電極-PGNR屏障時，電導只能通過單電子過程進行。通過在毫開爾文溫度下繪制GSD與VG和VSD的圖，作者觀察到了受抑制的電導VG區(qū)域，對應于帶隙。此外，他們還觀察到了周期性的庫侖鉆石，其大小相似，并且由高GSD的脊分隔開，這是單導通道的典型特征。振動能級提供了PGNR的指紋，并與報道的拉曼和紅外模式相關聯(lián)。此外，他們還觀察到了大量的負微分電導（NDC）區(qū)域，這驗證了對摻雜的GNR的預測，即在增加偏壓時電流會突然下降，產(chǎn)生NDC峰。這些結果為了解PGNRb在電子器件中的應用潛力提供了重要線索。

圖6. 單分子電荷傳輸。