近日，我院材料与纺织工程学院贺园园博士在纳米材料领域顶级期刊ACS Nano（中科院一区，影响因子18.027），发表了题为“Topological Design and Synthesis of High-Spin Aza-triangulenes without Jahn–Teller Distortions”的研究论文。该论文共同第一作者为新加坡国立大学James Lawrence博士和我校贺园园博士为，第一通讯作者为新加坡国立大学吴继善教授，第二通讯作者为吕炯副教授。

开壳层纳米石墨烯的原子级掺杂能够精确调控其电子和磁性状态，这对于其在光电子和自旋电子学领域的应用有着重要的潜在应用价值。 在诸多的有趣分子中，三角烯以其与尺寸相关的电子结构和自旋态脱颖而出，这些性质也会受到掺杂原子和功能基团影响。然而，在类似结构中，Jahn-Teller畸变的发生对它们的整体自旋状态有着重要影响，需要进一步的理论和实验研究。

在本研究中，我们通过密度泛函理论和表面合成的组合方法研究了一系列氮掺杂三角烯分子结构。我们发现了氮掺杂三角烯的理论自旋态与尺寸大小的普遍相关趋势，并将其分为两个对称类别：其中一类分子被预测会发生降低结构对称性和总自旋多重度的Jahn-Teller畸变。我们将这种行为解释为是由于中心氮原子相对三角烯分子上的两种碳亚晶格不同。因此，我们的发现揭示了中性的中心氮掺杂三角烯比未掺杂全碳三角烯少一个自由基，这一特性不受分子结构对称性影响。我们还接着通过在铜（111）和金（111）基底上进行简单的一步退火过程实现了π-扩展氮掺[5]三角烯的表面合成，这一分子理论预测已表明属于不存在Jahn-Teller畸变效应的高对称结构类别。通过扫描探针显微光谱和理论计算相结合的方法，我们证明了分子在金（111）基底上带正电荷，并且具有高自旋五重态（S=2）,与未掺杂电中性[5]三角烯的总自旋多重度相同。我们的研究揭示了高自旋纳米石墨烯的自由基性质与掺杂原子位置的相关性，为纳米石墨烯的设计和开发提供了一种策略，使其有望应用到各个领域。

Figure 4.The electronic structure characterization of aza-[5]-triangulene on Au(111). (a) A stacked line of dI/dVspectra recorded along the edge of an aza-[5]triangulene molecule on Au(111), as indicated in the inset image. (b) Spin-polarized DFT calculations for the singly positively charged molecule. Presented to the right of this are the calculated orbital densities (c)-(g) and CO tip dI/dVimages (both constant current and constant height, (h)-(q)) of an aza-[5]triangulene molecule recorded at voltages corresponding to the main features in the dI/dVspectra.

该研究成果得到了国家留学基金委地方合作项目（CSC No. 202208330284）的大力支持。论文DOI（https://doi.org/10.1021/acsnano.3c05974）