Les scientifiques de NUS ont mis au point une nouvelle méthode de synthèse de molécules de nanographene avec un rendement de produit élevé pour le développement de dispositifs quantiques de prochaine génération.

Les réactions chimiques en surface ont montré un potentiel dans la synthèse de nouveaux matériaux organiques fonctionnels tels que les nanographènes atomiquement précis. Le concept de base de cette stratégie repose sur la conception rationnelle de précurseurs moléculaires spécifiques, qui subissent ensuite une transformation chimique le long de certaines voies de réaction vers le produit souhaité. L'électronique, Les propriétés magnétiques et optiques de ces molécules de nanographene peuvent être ajustées avec précision pour le développement de dispositifs quantiques de nouvelle génération. Malheureusement, les voies de synthèse conventionnelles assistées par surface impliquent souvent une série de réactions en cascade avec des voies de réaction concurrentes. Ceci conduit inévitablement à la formation de nombreux produits indésirables et diminue le rendement. Le rendement limité des produits ciblés pose un défi pour les applications pratiques des nanographènes.

Une équipe de recherche NUS dirigée par le professeur Jiong Lu, en collaboration avec le groupe de recherche du professeur Jishan Wu, tous deux du département de chimie, NUS a développé une voie pour synthétiser le nanographène hexagonal à bords en zigzag, connu sous le nom de circumcoronène, sur un substrat de cuivre (111). La voie de réaction repose sur le couplage déshydrogénant robuste des groupes méthyle aux sites adjacents des molécules précurseurs conçues de manière rationnelle, suivi des réactions de fermeture de cycle sur le substrat métallique. Cela forme l'insaisissable molécule de circumcoronène constituée de 19 cycles benzéniques fusionnés. Surtout, une telle voie de synthèse permet un rendement ultra-élevé du produit de réaction (jusqu'à 98 %), qui n'a pas été atteint à ce jour.

Les interactions électrostatiques entre le grand nombre de molécules de circumcoronène et le substrat de cuivre ont permis aux molécules de s'auto-assembler en super-réseaux étendus. Cela a été observé par l'équipe à l'aide de mesures de microscopie à sonde à balayage résolues par liaison. Les chercheurs démontrent que la topologie hexagonale en zigzag unique des circumcoronènes, avec leur paysage électrostatique périodique, confine le gaz d'électrons bidimensionnel (2-D) sur la surface de cuivre (111). Cela crée un réseau Kagome électronique chiral en nid d'abeille avec deux bandes plates électroniques émergentes. Cet arrangement des molécules de circumcoronène dans une grille régulière d'hexagones et de triangles peut être particulièrement intéressant dans un large éventail de physique de la matière condensée en raison de leur potentiel favorable dans la réalisation d'une variété de phénomènes exotiques à plusieurs corps, y compris les états Hall quantiques anormaux, Cristallisation Wigner, et les transitions isolantes topologiques.

Le professeur Lu a dit, « Nos découvertes ouvrent une nouvelle voie pour la synthèse à très haut rendement du nanographene et la fabrication atomiquement précise de réseaux synthétiques bidimensionnels dotés de propriétés électroniques uniques pour de futures applications technologiques. »