​中国科学家发现碳家族单晶新材料

中国网/中国发展门户网讯 6月16日，中国科学院化学研究所郑健研究员团队在国际学术期刊Nature上发表了新成果。该工作在常压下通过简单的反应条件，创制了一种新型碳同素异形体单晶——单层聚合C₆₀。这是一种全新的簇聚二维超结构，由C₆₀簇笼在平面上通过C-C键相互共价键合形成规则的拓扑结构。这种新型碳材料具有较高的结晶度和良好的热力学稳定性，并具有适度的禁带宽度，为碳材料的研究提供了全新的思路。

据了解，碳材料一直被认为是一种未来材料，甚至有的材料学家认为人类社会由现今的“硅基电子时代”迈入到未来的“碳基电子时代”。通过调节碳材料的带隙，可以使其表现出迥异的电学性质：如金属、半导体和绝缘体，从而在晶体管、能源存储器件、超导等领域具有广泛应用。碳材料的性能与其拓扑结构密切相关，因此，研究新的二维碳同素异形体，特别是具有带隙的新型结构，建立结构与物性之间的关联，具有重要意义。

郑健课题组潜心研究，历时5年，利用掺杂聚合-剥离两步法，成功制备了单层二维聚合C₆₀单晶，获得了确凿的价键结构。研究通过调节镁（Mg）和C₆₀的比例，在常压条件下制得了两种紧密排列的准六方相和准四方相的Mg插层聚合物单晶，通过新的有机阳离子切片策略，使用四丁基水杨酸铵作为切割试剂，从准六方相结构中剥离得到单层C₆₀聚合物。研究人员利用单晶X射线衍射（XRD）和扫描透射电子显微镜（STEM）对该单层C₆₀聚合物进行了结构表征，结果显示C₆₀之间通过C-C桥连单键和[2+2]环加成的四元环桥连键在平面内连接形成了一种全新的二维拓扑超结构。单层聚合C₆₀的带隙约为1.6 eV，是典型的半导体，预示着其在光/电半导体器件中具有广阔的潜在应用。此外，该结构具有良好的热力学稳定性，在约600 K（326.85℃）下仍旧稳定存在。

由于不对称成键结构，单层聚合C₆₀中每个C₆₀单元被拉伸成方向一致的椭球形，从而使得这种新的碳材料具有显著的平面各向异性，在非线性光学和功能化电子器件方面具有巨大应用前景。此外，由于其独特的共轭碳结构、巨大的超晶格和多孔骨架结构，该二维簇聚碳材料在超导、量子计算、自旋输运、信息及能量存储、催化等领域也具有潜在的应用。

该研究工作由中国科学院化学研究所有机固体实验室独立完成，侯凌翔博士为论文第一作者，郑健研究员为独立通讯作者。崔雪萍博士在数据整理和文章撰写方面提供了帮助，关波博士在高分辨TEM方面提供了帮助。

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