中科院造出新型碳材料,未来有望用于半导体、量子计算等领域
北京日报客户端 | 记者 刘苏雅

2022-06-16 15:54 语音播报


中国科学院化学研究所研究员郑健团队以富勒烯为基本单位,运用巧妙的实验方法,创制出一种新型碳同素异形体单晶——单层聚合碳60,并得到了确定的晶体价键结构。这种新材料在常压下通过简单的反应条件即可制备,未来有望应用于半导体、超导、量子计算等领域。6月16日,相关研究成果刊发在《自然》杂志。

a:准六方聚合C60的单晶结构示意图。每个C60与周围6C60通过C-C共价键相连。图b:单层聚合C60STEM图片,C60笼簇在STEM图片中显示为圆环。

同一种元素构成的物质,由于原子排列不同,会展现出不同的物理、化学性质,即同素异形体。碳元素可与包括自身在内的几乎所有元素形成结构丰富的碳网络,金刚石、石墨、富勒烯、石墨烯、石墨炔等,都是碳的同素异形体。

“碳是最多样神奇的材料,它可以从最软到最硬,从绝缘到超导,蕴含着无限可能。”郑健说,探索新的碳材料一直是材料化学的经典挑战,此前,科学家大多以碳原子为基本单位,进行碳材料的平面结构构筑。而使用被称为“人造原子”的纳米团簇来“盖大楼”,构筑出更高级的二维拓扑结构,一直未能实现。

郑健的目标便是突破这一难题。读研究生时,郑健就参与了石墨烯的科研工作,“当时能接触到的所有碳材料都是国外的,我就在想,什么时候能做一个我们自己的材料”。于是,他将目光放在了碳原子的纳米团簇之一——富勒烯,希望将其作为“砖块”,创造出新的碳材料。

“一个富勒烯上有60个碳原子,整体是个足球的形状,所以也叫‘足球烯’。在制备新材料的过程中,要让每个碳原子按我们的意志乖乖‘听话’,实现大范围的连接,是个很大的挑战。”谈起研发过程,郑健说,仅是方案的构思和探索,团队就用了5年时间。一个“砖块”放错位置,或一处共价键连接有误,整体的结构就会变为无序状态。

传统的“垒砖块”、表面催化等方法都行不通,科研团队便发挥想象力,运用“迂回战术”,先在晶体制备过程中掺入离子,聚合后再去掉离子,终于得到了结构稳定的新材料。这种方法在常压下使用简单的反应条件即可完成,郑健和团队进行了上百次单晶结构测试,得到了确凿的结构,摸索出有效参数,终于做出了我国原创的新型碳材料——单层二维聚合碳60单晶,并确认了它在原子层面的连接方式。

这是继石墨烯、石墨炔后又一种稳定的碳材料,已实现常温稳定保存2年以上,在超过300摄氏度的高温下仍能稳定存在。新材料的带隙与单晶硅接近,未来有望用作半导体材料,其独特的共轭碳结构、巨大的晶格,在超导、量子计算、信息及能量存储等领域也具有潜在的应用价值。


编辑:王海萍


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