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我國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)碳材料家族新成員 這是一種全新的簇聚二維超結(jié)構(gòu)，這種新型碳材料具有較高的結(jié)晶度和良好的熱力學(xué)穩(wěn)定性，并具有適度的禁帶寬度，為碳材料的研究提供了全新的思路。6月16日，這一成果在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）上發(fā)表。  圖a.準(zhǔn)六方聚合C60的單晶結(jié)構(gòu)示意圖，每個(gè)C60與周圍6個(gè)C60通過C-C共價(jià)鍵相連。圖b：?jiǎn)螌泳酆螩60的STEM圖片，C60籠簇在STEM圖片中顯示為圓環(huán)。 碳是地球上最重要的元素之一，碳原子具有很輕的原子質(zhì)量可以形成極強(qiáng)的共價(jià)鍵。碳是元素周期表中最多樣化的元素之一，它可以與自身或者幾乎所有的元素以多種雜化方式成鍵，獲得結(jié)構(gòu)豐富的碳網(wǎng)絡(luò)，形成獨(dú)特的π電子共軛體系，并展現(xiàn)出優(yōu)異的力、熱、光、電等屬性。 鄭健介紹，通過調(diào)節(jié)碳材料的帶隙，可以使其表現(xiàn)出迥異的電學(xué)性質(zhì)：如金屬、半導(dǎo)體和絕緣體，從而在晶體管、能源存儲(chǔ)器件、超導(dǎo)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。碳材料的性能與其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此，研究新的二維碳同素異形體，特別是具有帶隙的新型結(jié)構(gòu)，建立結(jié)構(gòu)與物性之間的關(guān)聯(lián)，具有重要意義。 事實(shí)上，制備新型碳材料一直是材料領(lǐng)域的前沿科學(xué)問題，以富勒烯、碳納米管、石墨烯、石墨炔為代表的新型碳材料的每一次發(fā)現(xiàn)都引發(fā)了材料學(xué)家的研究熱潮。1985年，Robert F. Curl, Jr、Harold Kroto和Richard E. Smalley發(fā)現(xiàn)C60，在1996年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)；2004年，Andre Geim和Konstantin Novoselov成功地從石墨中分離出石墨烯，在2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 同一種元素構(gòu)成的物質(zhì)，由于原子排列不同，展現(xiàn)出不同的物理化學(xué)性質(zhì)，科學(xué)家稱之為同素異形體。碳有多種同素異形體，包括：金剛石、石墨、富勒烯、碳納米管、石墨烯和石墨炔。 鄭健是這一成果論文的通訊作者，據(jù)他介紹，迄今為止構(gòu)筑二維材料的最小單元是單個(gè)原子，被稱為人造原子的納米團(tuán)簇作為基本單元構(gòu)筑更高級(jí)的二維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一直未能實(shí)現(xiàn)。由于碳碳成鍵的反應(yīng)收率不是100%，且反應(yīng)不可逆，因此使用傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)自下而上通過分子“壘磚頭”的方法制備二維團(tuán)簇碳材料單晶幾乎無法完成。 鄭健課題組近年來潛心研究，歷時(shí)5年，利用摻雜聚合-剝離兩步法，成功制備了單層二維聚合C60單晶，獲得了確鑿的價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。 他們通過調(diào)節(jié)鎂（Mg）和C60的比例，在常壓條件下制得了兩種緊密排列的準(zhǔn)六方相和準(zhǔn)四方相的Mg插層聚合物單晶，通過新的有機(jī)陽(yáng)離子切片策略，使用四丁基水楊酸銨作為切割試劑，從準(zhǔn)六方相結(jié)構(gòu)中剝離得到單層C60聚合物。研究人員利用單晶X射線衍射和掃描透射電子顯微鏡對(duì)該單層C60聚合物進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征，結(jié)果顯示C60之間通過C-C橋連單鍵和[2+2]環(huán)加成的四元環(huán)橋連鍵在平面內(nèi)連接形成了一種全新的二維拓?fù)涑Y(jié)構(gòu)。 鄭健表示，單層聚合C60的帶隙約為1.6 eV，是典型的半導(dǎo)體，預(yù)示著其在光/電半導(dǎo)體器件中具有廣闊的潛在應(yīng)用。此外，該結(jié)構(gòu)具有良好的熱力學(xué)穩(wěn)定性，在約600 K（326.85℃）下仍舊穩(wěn)定存在。 |
