世界一流單層足球烯二維材料

以石墨烯為代表的二維碳材料由于其共軛碳網絡結構中獨特的π-電子系統所產生的特殊載流子輸運特性，過去十多年來引起了科研人員的廣泛關注。為了彌補石墨烯零帶隙的缺點，材料科學家投入了大量精力來尋找新的二維碳材料。然而，制備具有中等帶隙的大尺寸單晶二維碳材料長久以來一直是一個挑戰。

    鑒于此，近日來自北京分子科學國家研究中心和中國科學院大學的研究人員聯合在Nature上以Synthesis of a monolayer fullerene network為題發表重要進展文章，文章報道了該研究團隊通過層間鍵裂方法制備了一種大尺寸的單晶二維碳材料，即單層準六方相富勒烯（C60）。在這種單層聚合物C60中，C60的簇籠在一個平面上相互共價結合，形成了一種與傳統二維材料不同的規則拓撲結構。單層聚合物C60具有較高的結晶度和良好的熱力學穩定性，電子能帶結構測量顯示其傳輸帶隙約為1.6?eV。此外，不對稱晶格結構賦予單層聚合物C60具有包括各向異性聲子模式和電導率等顯著的面內各向異性特性。這種具有中等帶隙和獨特拓撲結構的二維碳材料為其在二維電子器件中的潛在應用提供了一個極具研究價值的平臺。

C60二維聚合物示意圖。

二維材料因其獨特的電子和光學特性近年來備受關注，二維材料的這些特性源于其單原子層限制中的量子限制。在眾多的二維材料中，二維碳材料是引人注目的。由共軛碳網絡結構組成的二維碳材料表現出特殊的載流子傳輸特性，這是由其獨特的π-電子系統引起的。碳組分作為元素周期表中用途廣泛的元素之一，在sp、sp2和sp3雜交中可以與自身或幾乎所有元素結合。這一點在有機化學中表現的明顯?！　⊥ㄟ^改變雜化碳原子網絡中的周期性結合基序，二維碳材料在其物理性質上具有很大的多樣性，包括可調帶隙，其范圍從金屬、半導體或絕緣不等，并且它們在晶體管、儲能裝置和超導體中有著廣泛的應用。為了進一步探索二維碳網絡的新穎性質，人們對二維材料的性質與網絡的拓撲結構的關系進行了深入的研究。尤其是，二維碳同素異形體，特別是那些具有帶隙的碳同素異形體，在揭示二維材料新穎性質來源方面具有重要價值?！　∑駷橹?，有關二維材料的報道僅限于由單原子結構單元交織而成的周期性網絡結構。使用高級結構單元（如簇）構建二維結構是一個很少被研究的概念。被稱為人工原子的納米團簇可以以類似于原子的方式結合，從而構建更加高級結構。由納米團簇結構單元構建的二維結構有望具有優越的拓撲結構和獨特的性質。然而，迄今為止學術界尚未報告過這些結構。

富勒烯（C60）是一種典型的碳原子簇。在極高壓力下，C60之間的聚合通過形成簇間共價鍵來產生C60的層狀結構。這種聚合物C60層顯示出在二維平面上重復排列的碳簇的規則波動拓撲，具有有趣的電子學和磁性特性。然而，由于其在大氣壓下的低收率和亞穩定性，從層狀聚合物C60制備具有穩定有序結構的原子級二維聚合物C60是一個相當具有挑戰性的問題，這進一步阻礙了對其固有性質的研究。

用單晶X射線衍射方法測定qHP C60和qTP C60的晶體結構。

在這篇論文中，研究人員在世界上首次制備了原子級二維聚合物C60。這是一種全新結構的二維碳材料，其框架由C60分子組成，這些分子在平面上共價鍵合，形成周期性納米團簇網絡結構。在常壓下，研究人員通過調節Mg與C60的比例，通過簡單的反應合成了兩種穩定的Mg插層聚合物C60塊體單晶，它們位于緊密堆積的準六方相和準四方相中?！　⊙芯咳藛T通過采用有機陽離子切片策略，從準六方體單晶中剝離出單層聚合物C60，從準四方體單晶中剝離出少量聚合物C60。兩種原子尺度的二維聚合物C60材料都具有高結晶度和獨特的拓撲結構。與石墨烯和游離C60相比，單層聚合物C60具有約1.6?eV的中等帶隙，表明其在半導體器件中的廣闊潛在應用；此外，它還表現出良好的熱力學穩定性。由于非對稱晶格結構，單層聚合物C60具有顯著的平面內各向異性特性，包括各向異性聲子模式和電導率的面內各項異性，這使其成為功能化電子器件的一種很有前景的平面內各向異性二維材料?！　?/p>

這種新型的二維單晶具有很高的熱穩定性和良好的環境穩定性，也就是說，它們可以作為分散體在室溫空氣下的溶劑中儲存至少一個月，而不會出現聚集跡象。它們還表現出各種顯著的特性，例如各向異性電導率，這意味著電子通過材料的傳輸效率取決于電流的方向。與半金屬石墨烯和電絕緣巴基球分子不同，研究人員研制的這種新型材料是一種半導體，這使得它可能適用于二維電子和光電子器件，如晶體管和發光二極管等等?！　?/p>

這種材料增加了越來越多的碳的存在形式，即同素異形體。幾個世紀以來，人們只知道兩種碳同素異形體：石墨，它由石墨烯片的堆疊層組成；和鉆石，石墨的理想兄弟（但其不太穩定，其中碳原子形成一個三維立方晶格）。1985年，科學家首次在實驗中分離出一種稱為富勒烯的高度對稱的碳分子，其中布基球突出。發展至今，富勒烯家族現在還包括圓柱形的碳納米管等等。在2004年，碳同素異形體的另一個突破性發展是石墨的剝落，它產生了單層石墨烯。

單層qHP C60和幾層的qTP C60的電鏡圖像。 

石墨烯的發現標志著二維材料領域蓬勃發展的開始。此后，人們發現并深入研究了許多種類的此類材料，但令人驚訝的是，在新型二維碳材料領域的實驗研究卻很少。理論研究中提出了幾種二維碳同素異形體，即石墨烯的異構體，其中一些預計具有顯著的性質。然而，缺乏合成這些同素異形體的方法阻礙了它們的制備。        這種情況正在開始改變，在過去一年左右的時間里，已經合成了石墨烯異構體，如聯苯網絡和γ-石墨烯。與研究人員的聚合物一樣，這些材料可能表現出各向異性導電性和其他奇特的性質。這些實驗突破有望重新激發人們對二維碳材料的興趣，并導致器件的應用。

著名材料科學家J. Michael Gottfried教授針對這篇文章發表評述稱，“回顧過去，巴基球的聚合可以用來制造新的低維（一維或二維）碳材料似乎是合乎邏輯的。人們早就知道，在壓力下或用堿金屬（如鉀）加熱這些分子，可形成低維聚合物，如一維鏈或二維薄片。然而，不可能分離出這些碳聚合物的單層。其他研究表明，分子在晶體中的反應會導致二維聚合物的形成，然后這些聚合物會被剝落。研究人員的主要進展是將這些先前報道的方法結合起來，以實現由聚合Buckyball形成的單層片的精細合成、剝離和表征?！薄　?/p>

文章認為，從歷史上看，只有在類似層狀材料的單層剝離方法可用后，才出現了對石墨烯等二維材料進行詳細研究的爆炸。本文中，研究人員的這一發現為他們的二維碳聚合物的進一步研究開辟了道路，目前的薄片尺寸（高達80微米）使其能夠在電子設備中進行某些應用的實驗演示。更廣泛地說，目前的研究表明，層狀碳晶體的本體合成和隨后的剝落是生產新型碳納米材料的一種很有前景的通用方法，而且這種方法比其他方法（如在表面合成二維材料）更容易擴大規模。

信息來源：石墨烯聯盟

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