兩院士助陣，化學所鄭健最新Nature：“分子足球”產生新型二維材料！

【引言】

二維（2D）碳材料如石墨烯等，其自身共軛碳網絡結構中所具有的獨特π-電子系統會產生優異的載流子輸運特性，因此持續引發著人們的高度關注。在這其中，為了補充零帶隙石墨烯，材料科學家已經投入了大量精力來探索和研究2D碳材料。然而，直到如今，制備具有中等帶隙（moderate bandgap）的大尺寸單晶二維碳材料仍然是一個重大挑戰。

【成果簡介】

有鑒于此，中科院化學所的鄭健（通訊作者）等人通過層間斷鍵策略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（qHPC₆₀）。在這種單層聚合物C₆₀中，C₆₀的簇籠可在一個平面上相互共價結合，從而形成一種與傳統2D材料截然不同的規則拓撲結構。研究顯示，這一單層聚合物C₆₀具有較高的結晶度和良好的熱力學穩定性，同時電子能帶結構測量發現其傳輸帶隙約為1.6?電子伏特。此外，不對稱晶格結構還可賦予單層聚合物C₆₀顯著的面內各向異性特性，包括各向異性聲子模式和電導率。因此，研究認為這種具有中等帶隙和獨特拓撲結構的二維碳材料為進一步開發二維電子器件的應用潛力提供了極具吸引力的平臺。中科院化學所的Lingxiang Hou為第一作者，朱道本和劉云圻兩位院士也參與了本項工作，2022年6月15日，相關成果以題為“Synthesis of a monolayer fullerene network”的文章發表在Nature上。

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【圖文導讀】

圖1 單晶XRD測定qHP C₆₀和qTP C₆₀的晶體結構

圖2 單層qHP C₆₀和少層qTP C₆₀

圖3 qHP C₆₀的拉曼譜學表征及其能帶結構

圖4 qHP C₆₀的各向異性特性

【結論】

綜上所述，作者成功地制備了穩定的單分子層結晶聚合物C₆₀，其具有周期性排列的團簇拓撲結構。單層qHP-C₆₀的非對稱晶格結構導致了明顯的面內各向異性性質，如雙重對稱的各向異性電導率等。而該單層聚合物C₆₀的中等帶隙約為1.6?eV，可橋接半金屬石墨烯和寬禁帶富勒烯材料，從而展現出了作為2D光電器件材料的潛力。最后，作者還期望對單層聚合物C₆₀的研究可為探索具有獨特拓撲結構和性質的二維碳材料激發新的視角。

文獻鏈接：Synthesis of a monolayer fullerene network（Nature, 2022, DOI: 10.1038/s41586-022-04771-5）

本文由材料人學術組NanoCJ供稿。

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