Long and oriented graphene nanoribbon synthesis from well-ordered 10,10'-dibromo-9,9'-bianthracene monolayer on crystalline Au surfaces

Au単結晶表面上10,10'-dibromo-9,9'-bianthracene秩序単分子層からの長尺・配向グラフェンナノリボンの合成

矢野 雅大   ; 保田 諭   ; 福谷 克之; 朝岡 秀人  

Yano, Masahiro; Yasuda, Satoshi; Fukutani, Katsuyuki; Asaoka, Hidehito

金属表面でのボトムアップ合成により、原子レベルで精密な化学構造を持つグラフェンナノリボン(GNR)を作製し、新しい電子デバイスを実現することが注目されている。しかし、GNR合成時に表面上の長さや方向を制御することは困難であり、より長く、より整列したGNRの成長を実現することは重要な課題である。本発表では、GNRの長尺化・配向化を実現するために、Au結晶表面上の秩序的に配向した単分子層からGNRを合成することを報告する。走査型トンネル顕微鏡(STM)により、室温でAu(111)上に蒸着した10,10'-dibromo-9,9'-bianthracene (DBBA)が自己組織化し、秩序的に配向した単分子層を形成し、DBBAのBr原子が隣接する直線状の分子ワイヤ構造を形成した。この単分子層中のDBBAは、その後の加熱によって表面からほとんど脱離することなく、分子配列とともに効率よく重合し、従来の成長法に比べてより長く、より配向したGNRが成長することが確認された。この結果は、DBBAが高密度に充填されているため、重合中にAu表面でのDBBAのランダムな拡散や脱離が抑制されたことに起因すると考えられる。さらに、GNR成長におけるAu結晶面の影響を調べたところ、Au(100)ではAu(111)と比較してDBBAの相互作用が強いため、さらに異方的にGNRが成長することが明らかになった。これらの結果は、より長く、より配向したGNRを実現するために、秩序ある前駆体単層からのGNR成長を制御するための基礎的な知見を与える。

Bottom-up synthesis on metal surfaces has attracted attention for the fabrication of graphene nanoribbons (GNRs) with atomically-precise chemical structures to realize novel electronic devices. However, control of length and orientation on surfaces during GNR synthesis is difficult, thus, achieving longer and aligned GNR growth is a significant challenge. Herein, we report GNR synthesis from a well-ordered dense monolayer on Au crystalline surfaces for long and oriented GNR growth. Scanning tunneling microscopy showed that 10,10'-dibromo-9,9'-bianthracene (DBBA) precursors deposited on Au(111) at room temperature self-assembled into a well-ordered dense monolayer, and the straight molecular wire structure was formed where Br atoms in each precursor were adjacent along the wire axis. The DBBAs in the monolayer were found to be hardly desorbed from the surface under subsequent heating and efficiently polymerize along with the molecular arrangement, resulting in more long and oriented GNR growth compared to the conventional growth method. The result is attributed to be suppression of random diffusion and desorption of the DBBAs on the Au surface during polymerization due to the densely-packed DBBA structure. Additionally, an investigation of the effect of the Au crystalline plane on the GNR growth revealed further anisotropic GNR growth on Au(100) compared to Au(111) due to the stronger interactions of DBBA with Au(100). These findings provide fundamental knowledge for controlling GNR growth from a well-ordered precursor monolayer to achieve more long and oriented GNRs.