Atomically-Controlled Substitutional Boron-Doping of Graphene Nanoribbons

S. Kawai, S. Saito, S. Osumi, S. Yamaguchi, A. S. Foster, P. Spijker, E. Meyer

Nat. Commun., in press.

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　炭素からなる薄膜シートであるグラフェンは電荷移動度が高く、電子デバイスの性能を大幅に向上させると期待されている材料だが、バンドギャップをもたないため電気的にOFFの状態を作ることができない。しかし、二次元のシートからナノリボン状の構造にすることで、その幅に対応したバンドギャップをもつ半導体とすることができるため、近年盛んにグラフェンナノリボン（ＧＮＲ）の研究が行われている。一方、ＧＮＲに炭素以外の原子をドーピングする研究も行われており、これまでにｎ型半導体にする窒素のドープは実現されていたが、ｐ型半導体にするホウ素のドープの成功報告はなかった。そのため、ドープしたホウ素がもたらす電子状態や化学吸着特性は不明であった。

　今回我々は、スイスBasel大学の川井茂樹博士らとの共同研究により、新たに設計・合成したホウ素を含む前駆体分子を金属表面上に蒸着し、さらに３段階に加熱することにより、ホウ素を含んださまざまな幅のＧＮＲの生成に成功した。その分子構造を超高分解能原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で直接観察し、実際に設計した位置にホウ素原子がドープされていることを確認した。また、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）を用いて、実験的にバンドギャップを測定した。さらに、ホウ素のルイス酸特性を利用し、一酸化窒素の吸着素子になることを示した。今後、開発したホウ素ドープグラフェンナノリボン（Ｂ－ＧＮＲ）素子を使うことで、カーボン薄膜素子のバンドギャップエンジニアリングの発展や、超高感度ガスセンサーの実現が期待される。

   Boron is a unique element in terms of electron deficiency and Lewis acidity. Incorporation of boron atoms into an aromatic carbon framework offers a wide variety of functionality. However, the intrinsic instability of organoboron compounds against moisture and oxygen has delayed the development. Here, we present boron-doped graphene nanoribbons (B-GNRs) of

widths of N = 7, 14 and 21 by on-surface chemical reactions with an employed organoboron precursor. The location of the boron dopant is well defined in the centre of the B-GNR, corresponding to 4.8 atom%, as programmed. The chemical reactivity of B-GNRs is probed by the adsorption of nitric oxide (NO), which is most effectively trapped by the boron sites, demonstrating the Lewis acid character. Structural properties and the chemical nature of the NO-reacted B-GNR are determined by a combination of scanning tunnelling microscopy, high-resolution atomic force microscopy with a CO tip, and density functional and classical computations.