中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心单分子团队王兵教授、范其瑭教授团队联合合作者，通过分步表面合成，制备出仅由五元环和七元环构成的碳纳米带。研究团队在宽度仅约0.9纳米的碳骨架中证实了金属性，并在单条纳米带上测得接近一个电导量子的电导，且电导在数纳米的提拉范围内基本保持不变，表明这种由碳原子通过共价键连接而成的超窄结构能够实现高效电子输运。相关论文题为“Narrow carbon pentaheptite nanoribbon as a covalent metal”，于10月29日在线发表于《自然》（Nature）。

同样由碳原子组成，金刚石与石墨却有着截然不同的性质，奥秘就在于原子如何连接。石墨烯中，碳原子排列成六元环组成的蜂窝网络。如果把六元环换成五元环和七元环，又会发生什么？早在1996年，理论研究就预言，这样的平面碳结构可能像金属一样导电。这类结构被称为碳五七环结构（carbon pentaheptite）。碳原子通过共价键连接，却能表现出金属的电子性质，因而被称为“共价金属”。近三十年来，一个关键问题始终有待实验回答：能否造出原子排列精确的五七环碳纳米带，并让宽度仅约0.9纳米的碳骨架保持金属导电性？

图：五七环碳纳米带的分步表面合成路线。

困难首先出现在搭建纳米带所需的分子链上。团队最初希望以二溴代并戊（pentalene）为构筑单元，将这种由两个五元环相连而成的结构串成链。然而，它的反应活性太高，难以获得稳定的前驱体，原先的路线受阻。研究人员于是改变起点，选择含八元碳环的较稳定分子，先在银表面将它们连接成链，再通过加热使八元环重排，原位生成所需的并戊单元。继续升温，相邻链像拉上拉链一样侧向融合，在两条链之间形成七元环，最终得到五七环碳纳米带。获得此前难以制备的聚并戊中间体，成为打通整条路线的关键。高分辨显微成像让这些碳环的排列得以被直接辨认。两条链的相对取向不同，形成了CPHN 1和CPHN 2两种纳米带。同样只由五元环和七元环组成，它们却展现出不同的电子性质：前者是金属，后者是窄带隙半导体。

做出了预想的结构，下一步是检验电子能否顺畅通过。研究人员用扫描隧道显微镜针尖连接并提起纳米带的一端，在针尖与银表面之间搭起一条纳米尺度的电流通路。在低温、10毫伏偏压下，CPHN1的电导******约为0.9个电导量子；提拉长度增至约4纳米时，电导仍基本保持不变。电导量子是衡量单个理想电子传输通道导电能力的基本尺度。测得的电导接近这一尺度，且随提拉长度变化很小，表明电子在所测短距离内受到的散射较少，呈现近弹道输运特征。CPHN1在零电压附近的电流–电压曲线近似线性；相比之下，CPHN2的电导低约两个数量级，低电压下的电流受到明显抑制。

图：两种五七环碳纳米带的原子结构、QPI色散与电子输运性质。

团队还从电子的波动性中寻找答案。在纳米带与银表面之间引入溴原子层、减弱衬底影响后，研究人员测量了电子波相互干涉形成的驻波图样。通过准粒子干涉（QPI）分析，可以从这些图样还原电子能量与波长的关系。结合理论计算，结果显示CPHN1的电子能带穿过费米能级，而CPHN2存在约0.22电子伏特的带隙，为两种纳米带不同的导电行为提供了解释。

该项工作建立了仅由五元环和七元环构成的金属性碳纳米带的合成路径，表明通过设计碳原子的连接方式，可以在亚纳米宽度的碳骨架中实现高效电子输运。这类材料为研究一维体系中的电子相互作用提供了新的实验平台，也有望作为原子尺度导线和互连单元，在未来碳基芯片中发挥作用。

中国科学技术大学为论文第一完成单位和******通讯单位。黄建民、范其瑭和孟杰为共同第一作者，王兵和范其瑭教授为共同通讯作者。中国科大相关团队共同完成表面结构与电子性质表征、同步辐射光电子能谱实验及理论计算，南开大学合作者参与前驱体分子合成。研究得到量子科技国家科技重大专项、国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院相关项目、安徽省量子信息技术引导专项和新基石科学基金会等支持。