十年之內(nèi)，江嵩分別發(fā)表一篇 Nature Nanotechnology 和 Science 論文，所有論文加起來(lái)一共有 18 篇。而從中國(guó)到美國(guó)再到法國(guó)，他的求學(xué)足跡跨越了三個(gè)大洲。

前不久，江嵩擔(dān)任第一作者兼共同通訊的 Science 論文終于和大眾見(jiàn)面。對(duì)于即將完成第二站博士后研究的他，這或許是對(duì)過(guò)往生涯的最好交代。     

圖 | 江嵩（來(lái)源：江嵩）

目前，他正在法國(guó)國(guó)家科研中心的斯特拉斯堡物理化學(xué)材料研究所（IPCMS，Institute Physical And Chemistry Materials De Strasbourg）做博士后研究。在這篇論文中，江嵩和所在團(tuán)隊(duì)借助表面在位合成、STM（Scanning Tunneling Microscope，掃描隧道顯微鏡）針尖操縱、以及 STM 誘導(dǎo)發(fā)光等技術(shù)，讓單根石墨烯納米帶實(shí)現(xiàn)了本征電致發(fā)光。

研究中，他們先是利用表面在位合成技術(shù)，在金單晶表面制備不同長(zhǎng)度的石墨烯納米帶。

其次，他們?cè)跇悠繁砻孢M(jìn)一步沉積超薄脫耦合層，并利用 STM 針尖將不同長(zhǎng)度的石墨烯納米帶，從金屬表面轉(zhuǎn)移到脫耦合層上，以抑制熒光淬滅效應(yīng)。

最后，對(duì)于脫耦合后的石墨烯納米帶，他們使用 STM 針尖注入一定能量的電子，借此來(lái)測(cè)量石墨烯納米帶的電致發(fā)光。

另外，課題組結(jié)合理論計(jì)算，探討了石墨烯納米帶在電致發(fā)光過(guò)程中所涉及的電子激發(fā)態(tài)、以及電子-振動(dòng)發(fā)光特性等。

江嵩表示，研究期間所使用的技術(shù)，可以很容易地拓展到其他石墨烯納米帶上。 這也意味著對(duì)于在單分子水平上研究石墨烯納米帶的光電性質(zhì)來(lái)說(shuō)，本次成果可以提供新的思路。

石墨烯納米帶的光電性質(zhì)，強(qiáng)烈依賴自身的結(jié)構(gòu)。而通過(guò)選擇不同的前驅(qū)體分子，就可以精準(zhǔn)合成這種結(jié)構(gòu)，進(jìn)而調(diào)控其光電性質(zhì)。

鑒于本次工作所展示的方法，能被拓展到其他石墨烯納米帶上。因此，預(yù)計(jì)這將催生更多關(guān)于石墨烯納米帶光電性質(zhì)的研究。

同時(shí)，將石墨烯納米帶進(jìn)行器件化，是該領(lǐng)域的一個(gè)主要目標(biāo)。在本次研究之外，也有其他課題組報(bào)道了以石墨烯納米帶為基礎(chǔ)的納米器件。

但是，由于石墨烯納米帶在大氣環(huán)境中非常不穩(wěn)定，所以只有在克服相關(guān)技術(shù)難題之后，才有望真正走向?qū)嶋H應(yīng)用。

從單分子水平研究石墨烯納米帶的光學(xué)性質(zhì)

石墨烯，是一種由單層碳原子組成的二維薄膜，同時(shí)它也是一種半金屬。其具備高強(qiáng)度、導(dǎo)電性和熱導(dǎo)率等特點(diǎn)，是一種頗具前途的新型材料。

然而，作為半金屬的石墨烯，它的電子結(jié)構(gòu)里不存在能帶間隙，因此無(wú)法直接用于新型電子器件的制備。

石墨烯納米帶（Graphene nanoribbons，GNRs），是一種寬度僅為幾納米的石墨烯帶狀結(jié)構(gòu)。

由于石墨烯納米帶的尺寸非常小，所以具有很強(qiáng)的量子限制效應(yīng)。相比宏觀材料，它有著完全不同電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，因此有望用于電子學(xué)、光電學(xué)和自旋電子學(xué)等領(lǐng)域。

同時(shí)，這些性質(zhì)強(qiáng)烈依賴于石墨烯納米帶的尺寸、邊緣結(jié)構(gòu)和寬度。

要想合成石墨烯納米帶，可以通過(guò)化學(xué)氣相沉積、光刻或切割石墨烯片等方法。然而，這些合成方法都無(wú)法實(shí)現(xiàn)石墨烯納米帶的精準(zhǔn)合成。

那么，這一問(wèn)題是否有解？據(jù)了解，利用表面在位合成（On-Surface synthesis）技術(shù)，通過(guò)將前驅(qū)體分子引入金屬表面，以及借助金屬表面的催化作用，就能在原子級(jí)水平上精準(zhǔn)地合成石墨烯納米帶。

而通過(guò)設(shè)計(jì)不同的前驅(qū)體分子，還可以調(diào)控石墨烯納米帶的尺寸、邊緣結(jié)構(gòu)、摻雜位點(diǎn)等，進(jìn)而調(diào)控石墨烯納米帶的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。

2010 年，通過(guò)表面在位合成技術(shù)所制備的石墨烯納米帶首次面世[1]。此后，各種不同類(lèi)型的石墨烯納米帶，比如扶手椅型、鋸齒型、手性型、異質(zhì)型、元素?fù)诫s型等也陸續(xù)得到報(bào)道。

而在最近幾年，關(guān)于石墨烯納米帶拓?fù)湫再|(zhì)的研究[2]，為調(diào)控石墨烯納米帶的性質(zhì)提供了新思路。

盡管針對(duì)石墨烯納米帶電子結(jié)構(gòu)的研究一直都比較火熱。但是，學(xué)界對(duì)其光學(xué)性質(zhì)的討論始終相對(duì)不多。主要原因有二：

首先，依托于金屬表面的催化作用，石墨烯納米帶在合成后直接吸附在金屬表面，從而與金屬之間發(fā)生極強(qiáng)的相互作用，進(jìn)而帶來(lái)熒光淬滅效應(yīng)。

其次，借助表面在位合成技術(shù)，依舊無(wú)法準(zhǔn)確控制石墨烯納米帶的長(zhǎng)度。對(duì)于不同長(zhǎng)度的石墨烯納米帶來(lái)說(shuō)，即使將它們轉(zhuǎn)移到脫耦合層或溶液里，常規(guī)的光學(xué)技術(shù)只能測(cè)量這些不同納米帶的平均的光學(xué)性質(zhì)。

正因此，在單分子水平上研究石墨烯納米帶的光學(xué)性質(zhì)的科研成果一直都比較少?；诖?，江嵩等人開(kāi)展了本次研究。

近乎完美地解釋電子振動(dòng)光譜   

江嵩表示：“本次課題綜合了我目前所在團(tuán)隊(duì)的兩大課題方向：納米線的光電測(cè)量、以及脫耦合層上分子的光電測(cè)量?！?/span>

在 2016 年之前，該實(shí)驗(yàn)室主要的研究方向是納米線的光電測(cè)量。

在這類(lèi)研究中，他們通常會(huì)利用表面在位合成技術(shù)，來(lái)合成具有不同發(fā)光體的納米線，并使用 STM 的針尖提起納米線的一端，從而形成“針尖-納米線-襯底”的單分子器件，借此來(lái)研究其光電性質(zhì)。

然而，一旦納米線被針尖提起之后，針尖將無(wú)法用于成像，自然也就無(wú)法獲得關(guān)于樣品結(jié)構(gòu)的信息。

2016 年，中日科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)利用氯化鈉（NaCl）為脫耦合層，可以觀察到單個(gè)分子的電致發(fā)光。

江嵩目前的導(dǎo)師很快就意識(shí)到：這是一個(gè)比納米線更簡(jiǎn)單、更明了的研究體系。

以氯化鈉作為脫耦合層之后，可以讓針尖得到解放。而且，氯化鈉擁有易制備、高品質(zhì)、層數(shù)可控等特點(diǎn)。因此，對(duì)于研究單分子發(fā)光來(lái)說(shuō)，氯化鈉是一種理想材料。

自那時(shí)起，該團(tuán)隊(duì)緊跟這一科技前沿，并將研究重心轉(zhuǎn)換到脫耦合層的分子上，報(bào)道了不少出色的成果[3]。

2019 年末，江嵩加入當(dāng)前所在的課題組。當(dāng)時(shí)，酞菁、卟啉類(lèi)等 π 共軛體系的化合物，是他們正在研究的對(duì)象。

“我們當(dāng)時(shí)的想法是：在更大的 π 共軛體系里，到底能觀察到什么？為此，我們和其他課題組合作，嘗試了許多不同的體系。但是，在樣品制備上面臨很大的挑戰(zhàn)。在和導(dǎo)師討論之后，大家意識(shí)到或許可以重拾多年前的納米線體系。”江嵩說(shuō)。

經(jīng)過(guò)一番討論，在各種納米線之中，他們選擇了石墨烯納米帶。原因主要有三：

其一，在這類(lèi)樣品制備上，他們具備一定的經(jīng)驗(yàn)；

其二，2016 年已有課題組將石墨烯納米帶成功轉(zhuǎn)移到氯化鈉上；

其三，此前很少有人研究石墨烯納米帶的光學(xué)性質(zhì)，少有的幾個(gè)研究也都是基于薄膜或溶液等系統(tǒng)體系。

江嵩繼續(xù)說(shuō)道：“我們的實(shí)驗(yàn)主要涉及到：利用 STM 針尖將石墨烯納米帶提起，并轉(zhuǎn)移到氯化鈉脫耦合層上，然后對(duì)石墨烯納米帶進(jìn)行成像和測(cè)量?！?/span>

實(shí)驗(yàn)中主要有兩大挑戰(zhàn)：樣品制備和 STM 針尖。

在樣品制備上，他們首先采用表面在位合成技術(shù)，在金表面合成 7- 扶手椅型石墨烯納米帶 （7-AGNRs）；然后，進(jìn)一步地沉積氯化鈉脫耦合層。

需要說(shuō)明的是，在實(shí)驗(yàn)中他們只能研究氯化鈉脫耦合層附近的石墨烯納米帶，因?yàn)樵谑┘{米帶轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，無(wú)法跨過(guò)其他的石墨烯納米帶。

為了研究不同長(zhǎng)度石墨烯納米帶的發(fā)光性質(zhì)，以及保證實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性，在耗費(fèi)大量時(shí)間之后，他們終于在樣品表面尋找到合適的區(qū)域。

找到理想?yún)^(qū)域之后，更大的挑戰(zhàn)就是針尖。針尖需要完成四種任務(wù)：操縱石墨烯納米帶、實(shí)現(xiàn) STM 成像、完成電子態(tài)測(cè)量、以及完成光譜測(cè)量。

每一個(gè)任務(wù)都給針尖提出了極高的要求。江嵩表示：“一般來(lái)說(shuō)針尖能夠完成兩三個(gè)任務(wù)就已經(jīng)非常幸運(yùn)。最常見(jiàn)的情況是在完成石墨烯納米帶的轉(zhuǎn)移任務(wù)后，針尖對(duì)于石墨烯納米帶的 STM 成像非常差。而在獲得清晰圖像之后，針尖的發(fā)光又會(huì)變得非常弱?！?

幸運(yùn)的是，盡管江嵩需要一并完成多項(xiàng)任務(wù)，但是在十幾天后所有狀態(tài)都非常完美，他也成功觀察到了來(lái)自脫耦合的石墨烯納米帶的發(fā)光。

其表示：“我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，從其中一些類(lèi)型的石墨烯納米帶上并不能觀察到電致發(fā)光，而我們嘗試的第一種石墨烯納米帶正好就是可以發(fā)光的。這說(shuō)明我們當(dāng)初的選擇是非常幸運(yùn)的?！?/span>

接著，他測(cè)量了更多的石墨烯納米帶，并深入分析了光譜數(shù)據(jù)?！坝∠笞钌羁淌怯姓粋€(gè)星期，針尖的狀態(tài)都特別好。每一天我都可以研究一根不同的石墨烯納米帶?！苯员硎尽?/span>

在機(jī)理討論上，他們更是大膽假設(shè)、小心求證。由于發(fā)光過(guò)程涉及到電子從激發(fā)態(tài)、到基態(tài)的躍遷，而對(duì)于石墨烯納米帶這種大尺度的開(kāi)殼層體系來(lái)說(shuō)，基態(tài)計(jì)算就已經(jīng)頗具挑戰(zhàn)性，要想激發(fā)態(tài)的性質(zhì)更是難上加難。

“但是我們組里負(fù)責(zé)理論計(jì)算的同事，不但成功地解釋了發(fā)光過(guò)程中所涉及到的激發(fā)態(tài)，更是近乎完美地解釋了電子振動(dòng)光譜。另外，我們還提出了基于多體理論的激發(fā)機(jī)制，我們認(rèn)為這種激發(fā)機(jī)制具有很強(qiáng)的普適性。”江嵩說(shuō)。

最終，相關(guān)論文以《單石墨烯納米帶中的拓?fù)渚钟蚣ぷ印罚?/span> Topologically localized excitons in single graphene nanoribbons ）為題發(fā)在 Science 上，江嵩是第一作者兼通訊作者，法國(guó)國(guó)家科研中心紀(jì)堯姆·舒爾（ Guillaume Schull ）教授擔(dān)任通訊作者[4]。

圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Science）

隨后，江嵩等人對(duì)上述激發(fā)機(jī)制的普適性進(jìn)行了更加詳細(xì)的探討。相關(guān)論文以《帶電分子的 STM 誘導(dǎo)熒光的多體表述》（ Many-Body Description of STM-Induced Fluorescence of Charged Molecules ）為題發(fā)表在 Physical Review Letters 上，在被期刊主編推薦之后，還成為了當(dāng)期亮點(diǎn)論文。[5]

即將研究石墨烯納米帶的光電現(xiàn)象   

據(jù)介紹，江嵩本科就讀于大連理工大學(xué)，后來(lái)到中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)攻讀直博。讀博期間，其致力于研制和發(fā)展基于 STM 的高分辨光學(xué)成像技術(shù)。

拉曼光譜技術(shù)可以提供分子本征的振動(dòng)信息，是分析物質(zhì)組成的重要技術(shù)。

但是，受限于光學(xué)衍射的極限， 該技術(shù)所能實(shí)現(xiàn)的空間分辨率只有幾百納米，這讓科研人員無(wú)法在分子水平上研究微觀物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)、以及分子間的相互作用。

為此，讀博期間的江嵩和當(dāng)時(shí)所在的團(tuán)隊(duì)，基于超高真空低溫 STM 系統(tǒng)，研發(fā)出一款單分子拉曼散射光譜檢測(cè)裝置。[6]

隨后，他利用這套針尖增強(qiáng)拉曼（TERS，tip-enhanced Raman spectroscopy）測(cè)量系統(tǒng)，面向接觸距離在范德華相互作用范圍內(nèi)的不同卟啉分子，實(shí)現(xiàn)了清晰的化學(xué)識(shí)別。所測(cè)得的拉曼光譜，可以清晰地區(qū)分分子的“身份”和結(jié)構(gòu)。[7]

2016 年博士畢業(yè)之后，他以博士后身份加入美國(guó)西北大學(xué)，主要負(fù)責(zé)研發(fā)和發(fā)展電化學(xué)條件下的 TERS 技術(shù)。

期間，他利用自建的電化學(xué) TERS 技術(shù)，在酸性水溶液中獲得了原子級(jí)平整的金襯底表面、分子分辨的酞菁單層分子膜 STM 成像、以及高信噪比的 TERS 光譜。[7]

2019 年，江嵩以博士后身份加入到法國(guó) IPCMS，并在那里工作至今。

下一步，江嵩和所在團(tuán)隊(duì)將研究其他類(lèi)型的石墨烯納米帶，同時(shí)也將發(fā)展近場(chǎng)光學(xué)測(cè)量的新方法。

具體來(lái)說(shuō)，7- 扶手椅型石墨烯納米帶的電子結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，它之所以能夠電致發(fā)光，是因?yàn)槭艿酵負(fù)溥吘墤B(tài)相關(guān)的“暗態(tài)”激子的退激發(fā)，但它在調(diào)控性質(zhì)上依舊存在一定限制。

當(dāng)前，學(xué)界已經(jīng)報(bào)道了許多石墨烯納米帶，它們都具有非常特異的電子結(jié)構(gòu)。

基于此，江嵩所在團(tuán)隊(duì)已經(jīng)選出一些納米帶，并和研發(fā)這些納米帶的課題組開(kāi)展合作，希望可以發(fā)現(xiàn)電子結(jié)構(gòu)與發(fā)光性質(zhì)的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)石墨烯納米帶發(fā)光的可控性調(diào)節(jié)。

另外，在本次研究中江嵩等人還提出了基于多體理論的電致發(fā)光機(jī)制，該機(jī)制涉及到電子的轉(zhuǎn)移過(guò)程，因此發(fā)光過(guò)程會(huì)受到電子/空穴注入機(jī)制的調(diào)控。

相比之下，光子激發(fā)過(guò)程無(wú)需依賴電子的轉(zhuǎn)移，所以可能會(huì)觀察到更豐富的現(xiàn)象。 “所以我們計(jì)劃使用不同的近場(chǎng)光學(xué)技術(shù)，來(lái)研究石墨烯納米帶的光電現(xiàn)象。 ”江嵩最后表示。

參考資料：

1. J. Cai, et al., Nature 2010, 466, 470-473.

2. O. Groning，et al., Nature 2018, 560, 209-213. D. J. Rizzo，et al., Nature 2018, 560, 204-208; Science 2020, 369, 1597-1603.

3. G. Schull, et al., Phys. Rev. Lett. 2017， Science 2018， Nat. Nanotechnol. 2020， Nat. Chem. 2021

4. S. Jiang, et al., Science 2023, 379, 1049-1054. 

5.S. Jiang, et al., Phys. Rev. Lett. 2023, 130, 126202.

6. R. Zhang, et al., Nature 2013, 498, 82-86.