Authors:	Narita, Akimitsu
Title:	Bottom-up solution synthesis of structurally defined graphene nanoribbons
Online publication date:	24-Mar-2014
Year of first publication:	2014
Language:	english
Abstract:	Graphene nanoribbons (GNRs), which are defined as nanometer-wide strips of graphene, are attracting an increasing attention as one on the most promising materials for future nanoelectronics. Unlike zero-bandgap graphene that cannot be switched off in transistors, GNRs possess open bandgaps that critically depend on their width and edge structures. GNRs were predominantly prepared through â top-downâ methods such as â cuttingâ of graphene and â unzippingâ of carbon nanotubes, but these methods cannot precisely control the structure of the resulting GNRs. In contrast, â bottom-upâ chemical synthetic approach enables fabrication of structurally defined and uniform GNRs from tailor-made polyphenylene precursors. Nevertheless, width and length of the GNRs obtainable by this method were considerably limited. In this study, lateral as well as longitudinal extensions of the GNRs were achieved while preserving the high structural definition, based on the bottom-up solution synthesis. Initially, wider (~2 nm) GNRs were synthesized by using laterally expanded monomers through AA-type Yamamoto polymerization, which proved more efficient than the conventional A2B2-type Suzuki polymerization. The wider GNRs showed broad absorption profile extending to the near-infrared region with a low optical bandgap of 1.12 eV, which indicated a potential of such GNRs for the application in photovoltaic cells. Next, high longitudinal extension of narrow (~1 nm) GNRs over 600 nm was accomplished based on AB-type Dielsâ Alder polymerization, which provided corresponding polyphenylene precursors with the weight-average molecular weight of larger than 600,000 g/mol. Bulky alkyl chains densely installed on the peripheral positions of these GNRs enhanced their liquid-phase processability, which allowed their formation of highly ordered self-assembled monolayers. Furthermore, non-contact time-resolved terahertz spectroscopy measurements demonstrated high charge-carrier mobility within individual GNRs. Remarkably, lateral extension of the AB-type monomer enabled the fabrication of wider (~2 nm) and long (>100 nm) GNRs through the Dielsâ Alder polymerization. Such longitudinally extended and structurally well-defined GNRs are expected to allow the fabrication of single-ribbon transistors for the fundamental studies on the electronic properties of the GNRs as well as contribute to the development of future electronic devices. Nanographenstreifen (GNRs), welche als Nanometer-breite Streifen von Graphen definiert sind, ziehen immer mehr Aufmerksamkeit als eines der vielversprechendsten Materialien für die künftige Nanoelectronik auf sich. Anders als Graphen, dessen Bandlücke Null beträgt und somit nicht in Transistoren geschaltet werden kann, besitzen GNRs Bandlücken, die kritisch von ihrer Breite und ihren Randstrukturen abhängen. GNRs wurden überwiegend durch "Top-Down"-Methoden wie "Schneiden" von Graphen und "Aufrollen" von Kohlenstoffnanoröhren hergestellt. Jedoch können diese Methoden die Struktur der entstehenden GNRs nicht präzise steuern. Im Gegensatz dazu, ermöglicht ein "Bottom-Up"-Ansatz die chemisch-synthetische Herstellung von strukturell definierten und einheitlichen GNRs über maßgeschneiderte Polyphenylenvorläufer. Dennoch, sind Breite und Länge der GNRs nach diesem Verfahren erheblich eingeschränkt. In dieser Arbeit wurde die laterale und longitudinale Erweiterung der GNRs mit hoher strukturellen Genauigkeit erzielt, basierend auf der Bottom-Up-Lösungssynthese. Zunächst wurden breitere (~2 nm) GNRs aus seitlich erweiterten Monomeren durch AA-Typ-Yamamoto-Polymerisation synthetisiert, die sich effizienter als die herkömmliche A2B2-Typ-Suzuki-Polymerisation erwies. Die verbreiterten GNRs zeigten ein ausgedehntes Absorptionsprofil bis in den nahen Infrarotbereich mit einer geringen optischen Bandlücke von 1,12 eV, welches ein Potential von solchen GNRs für die Anwendung in photovoltaischen Zellen nahelegt. Desweiteren wurde eine Verlängerung der schmalen (~1 nm) GNRs auf über 600 nm erreicht basierend auf einer AB-Typ-Diels-Alder-Polymerisation, die die entsprechenden Polyphenylenvorläufer mit Molekulargewichten von über 600.000 g/mol erzielt. Sperrige Alkylketten, die an der Peripherie der GNRs installiert wurden, verbesserten ihre Verarbeitbarkeit in flüssiger Phase und daraus die Bildung von hochgeordneten, selbstorganisierten Monoschichten. Darüber hinaus konnten über berührungsfreie, zeitaufgelöste Terahertz-Spektroskopie hohe Ladungsträgermobilitäten innerhalb einzelner GNRs gemessen werden. Bemerkenswert ist, dass die laterale Ausdehnung des AB-Typ-Monomer die Herstellung breiter (~2 nm) und langer (>100 nm) GNRs durch die Diels-Alder-Polymerisation ermöglicht. Von solchen langen und strukturell definierten GNRs wird erwartet, dass sie die Herstellung von Single-GNR-Transistoren für die Studien der grundlegenden elektronischen Eigenschaften solcher GNRs erlauben und so maßgeblich zur Entwicklung von zukünftigen elektronischen Bauteilen beitragen werden.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4217
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-37029
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	280 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen