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中国科学家创制碳家族单晶新材料

来源:瞭望 2022-09-26

图a:准六方聚合碳60的单晶结构示意图。图b:单层聚合碳60的扫描透射电子显微图片。(中科院化学研究所供图)
  
  富勒烯、碳纳米管、石墨烯……新型碳材料领域的每一次发现,都对人类科技进步产生了重要影响。我国科学家成功创制了一种碳家族单晶新材料——单层聚合碳60,这是一种全新的簇聚二维超结构,为碳材料研究提供了全新思路。
  
  该研究由中国科学院化学研究所研究员郑健团队完成,相关成果15日在国际学术期刊《自然》在线发表。
  
  碳材料由于自身优异的力、热、光、电等属性,在晶体管、能源存储器件、超导等领域被广泛应用。有材料学家认为,人类社会将由现今的“硅基电子时代”迈入“碳基电子时代”。因此,制备新型碳材料一直是材料领域的前沿科学问题。
  
  “碳材料的性能与其拓扑结构密切相关。此项研究最大的突破在于,以碳簇代替碳原子构筑碳材料。”郑健介绍,此前构筑二维材料的最小单元是单个原子,而碳簇由多个碳原子构成,例如碳60是由60个碳原子构成的球状结构。团队认为,以碳簇构建二维材料有望获得更加新奇的性能。
  
  然而在此之前,以碳簇作为基本单元构筑更高级的二维拓扑结构一直未能实现。“由于碳碳成键的反应收率不是100%,且反应不可逆,因此使用传统化学反应自下而上通过分子‘垒砖头’的方法制备二维团簇碳材料单晶几乎无法完成。”郑健说。
  
  对此,团队通过5年潜心研究,最终在常压下,利用掺杂聚合-剥离两步法,成功制备了单层二维聚合碳60单晶,由碳60在平面上通过C-C键相互共价键合形成规则的拓扑结构。
  
  研究表明,单层聚合碳60具有良好的热力学稳定性,在300摄氏度高温情况下仍旧稳定存在。该材料在光/电半导体器件、非线性光学和功能化电子器件等方面具有重要应用前景,在超导、量子计算、信息及能量存储、催化等领域也具有应用潜力。

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