鄭健研究員在中科院化學所實驗室展示含有碳家族單晶新材料——單層聚合碳60的樣品。 中新社記者 孫自法 攝
中新網北京6月16日電 (記者 孫自法)碳是地球上最重要的元素之一，碳材料一直被認為是一種未來材料，作為材料領域的科技前沿和研究熱點，製備新型碳材料長期以來備受學術界和産業界關注。
中國科學院化學研究所鄭健研究員團隊歷時5年努力，最近在新型碳材料方面取得重大突破，他們在常壓下通過簡單的反應條件，創制出一種新型碳同素異形體單晶——單層聚合碳60，以其獨特結構和性能，在超導、量子計算、光/電半導體器件等諸多領域具有廣闊的潛在應用前景。
由中國科學家完成的這項材料領域重要研究成果論文，北京時間6月15日夜間在國際著名學術期刊《自然》(Nature)上線發表，也為碳材料後續研究提供了全新思路。
鄭健研究員介紹成功創制碳家族單晶新材料——單層聚合碳60的過程及應用前景。 中新社記者 孫自法 攝
為什麼要研究製備新型碳材料？
論文通訊作者鄭健研究員稱，碳原子具有極輕的原子品質，它可與自身或其他大部分元素以多種雜化方式成鍵。碳是元素週期表中最多樣化的元素之一，它可與自身或其他大部分元素以多種雜化方式
同一種元素構成的物質，由於原子排列不同，展現出不同的物理化學性質，稱之為同素異形體。碳有多種同素異形體，包括金剛石、石墨、富勒烯、碳奈米管、石墨烯和石墨炔等。
通過調節碳材料的帶隙，可使其表現出迥異的電學性質，如金屬、半導體和絕緣體，從而在電晶體、能源記憶體件、超導等領域具有廣泛應用。碳材料的性能與其拓撲結構密切相關，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構，建立結構與物性之間的關聯，具有重要意義。
製備新型碳材料一直是材料領域的前沿科學問題，以富勒烯、碳奈米管、石墨烯、石墨炔為代表的新型碳材料的每一次發現，都引發材料學家的研究熱潮，有材料學家甚至認為，人類社會將由現今的“硅基電子時代”邁入到未來的“碳基電子時代”。
論文通訊作者鄭健研究員(右)、論文第一作者侯淩翔博士在實驗室展示介紹含有單層聚合碳60的樣品。 中新社記者 孫自法 攝
碳家族單晶新材料是如何創制的？
論文第一作者、中科院化學所侯淩翔博士介紹説，迄今為止構築二維材料的最小單元是單個原子，被稱為人造原子的奈米團簇作為基本單元構築更高級的二維拓撲結構一直未能實現。由於碳碳成鍵的反應收率不是100%，且反應不可逆，因此，使用傳統化學反應自下而上通過分子“壘磚頭”的方法製備二維團簇碳材料單晶幾乎無法完成。
針對這一科學難題，研究團隊近年來潛心研究，最終歷時5年，利用摻雜聚合-剝離兩步法，成功製備出一種新型碳同素異形體單晶材料——單層二維聚合碳60，並獲得確鑿的價鍵結構。這項研究工作的突出特點，就是通過調節鎂(Mg)和碳60的比例，在常壓下通過簡單的反應條件，獲得Mg插層的聚合碳60單晶，並基於此創制出單層碳60聚合物這一全新的碳家族單晶材料。
研究團隊進一步利用單晶X射線衍射(XRD)和掃描透射電子顯微鏡(STEM)對該單層碳60聚合物進行結構表徵，結果顯示，碳60之間在平面內連接形成了一種全新的二維拓撲超結構。
侯淩翔説，這是一種全新的簇聚二維超結構，由碳60簇籠在平面上通過C-C鍵相互共價鍵合形成規則的拓撲結構。這種新型碳材料具有較高的結晶度和良好的熱力學穩定性，並具有適度的禁頻寬度。
a：準六方聚合碳60的單晶結構示意圖。b：單層聚合碳60的STEM圖片。 研究團隊 供圖
鄭健表示，研究團隊成功創制的單層聚合碳60的帶隙約為1.6eV(電子伏特)，是典型的半導體，預示著其在光/電半導體器件中具有廣闊的潛在應用。此外，單層聚合碳60具有良好的熱力學穩定性，在約600K(326.85℃)溫度下仍舊穩定存在。
由於不對稱成鍵結構，單層聚合碳60中每個碳60單元被拉伸成方向一致的橢球形，從而使得這種新的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率，這表明，該碳家族單晶新材料在非線性光學和功能化電子器件方面具有重要的應用前景。
鄭健指出，由於單層聚合碳60獨特的共軛碳結構和巨大的晶格，該二維簇聚碳材料在超導、量子計算、自旋輸運、資訊及能量存儲、催化等領域，也具有潛在應用前景。(完)
