近日，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所研究員鄭健團(tuán)隊(duì)在常壓下通過(guò)簡(jiǎn)單的反應(yīng)條件，創(chuàng)制了一種新型碳同素異形體單晶——單層聚合碳60，未來(lái)有望應(yīng)用于半導(dǎo)體、量子計(jì)算、化學(xué)催化等領(lǐng)域。相關(guān)成果6月16日刊發(fā)在《自然》(Nature)雜志。

圖片來(lái)自《自然》(Nature)

碳是地球上最重要的元素之一，碳原子具有極輕的原子質(zhì)量和極強(qiáng)的共價(jià)鍵。作為元素周期表中最多樣化的元素之一，碳可以與自身或者幾乎所有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)。很多碳分子具有獨(dú)特的π電子共軛體系（即分子中雙鍵或叁鍵與單鍵相互交替排列的體系），并展現(xiàn)出優(yōu)異的力、熱、光、電等屬性。

碳材料一直被視作一種未來(lái)材料，甚至有材料學(xué)家認(rèn)為人類(lèi)社會(huì)將由現(xiàn)今“硅基電子時(shí)代”邁入到未來(lái)“碳基電子時(shí)代”。通過(guò)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。

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)，稱(chēng)為同素異形體。碳的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。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。制備新型碳材料一直是材料領(lǐng)域的前沿科學(xué)問(wèn)題，以富勒烯、碳納米管、石墨烯、石墨炔為代表的新型碳材料，其每一次發(fā)現(xiàn)都引發(fā)了材料學(xué)研究熱潮。

此次，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所研究員鄭健團(tuán)隊(duì)通過(guò)常壓下簡(jiǎn)單的反應(yīng)條件，創(chuàng)制了一種新型碳同素異形體單晶——單層聚合碳60(C60)。這是一種全新的簇聚二維超結(jié)構(gòu)，由碳60簇籠在平面上通過(guò)碳-碳鍵相互共價(jià)鍵合形成規(guī)則的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

前述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思路。禁帶寬度是半導(dǎo)體的一個(gè)重要特征參量，其大小主要取決于半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)，即與晶體結(jié)構(gòu)和原子的結(jié)合性質(zhì)等有關(guān)。

迄今為止構(gòu)筑二維材料的最小單元是單個(gè)原子，被稱(chēng)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(guò)分子“壘磚頭”的方法，制備二維團(tuán)簇碳材料單晶幾乎無(wú)法完成。因此，鄭健課題組歷時(shí)5年，利用摻雜聚合-剝離兩步法，即先在晶體制備過(guò)程中摻入離子，聚合后再去掉離子，最終從準(zhǔn)六方相結(jié)構(gòu)中剝離得到單層C60聚合物。團(tuán)隊(duì)以此成功制備單層二維聚合C60單晶，并獲得了確鑿的價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。

圖a：準(zhǔn)六方聚合C60的單晶結(jié)構(gòu)示意圖，圖b：?jiǎn)螌泳酆螩60的STEM圖片，圖片來(lái)自中科院化學(xué)研究所

研究人員利用單晶X射線(xiàn)衍射(XRD)和掃描透射電子顯微鏡(STEM)對(duì)前述單層C60聚合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，結(jié)果顯示其形成了一種全新的二維拓?fù)涑Y(jié)構(gòu)。單層聚合C60的帶隙約為1.6電子伏特(eV)，是典型的半導(dǎo)體，預(yù)示其在光或電半導(dǎo)體器件中具有潛在應(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開(kāi)爾文（326.85攝氏度）下仍舊穩(wěn)定存在。

在單層聚合C60中，由于不對(duì)稱(chēng)成鍵結(jié)構(gòu)，每個(gè)C60單元被拉伸成方向一致的橢球形，從而使得這種新型碳材料具有顯著的平面各向異性，如各向異性聲子模式和電導(dǎo)率。這意味著該材料在非線(xiàn)性光學(xué)和功能化電子器件方面，也可能具有應(yīng)用前景。

此外，由于單層聚合C60獨(dú)特的共軛碳結(jié)構(gòu)、巨大的超晶格和多孔骨架結(jié)構(gòu)，該二維簇聚碳材料或在超導(dǎo)、量子計(jì)算、自旋輸運(yùn)、信息及能量存儲(chǔ)、催化等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。