科學家發現碳家族單晶新材料

碳是我們這個星球上最重要的元素之一，碳原子具有極輕的原子質量和極強的共價鍵。碳是元素周期表中最多樣化的元素之一，它可以與自身或者幾乎所有的元素以多種雜化方式成鍵，獲得結構豐富的碳網絡，很多碳分子具有獨特的π電子共軛體系，并展現出優異的力、熱、光、電等屬性。

碳材料一直被認為是一種未來材料，甚至有的材料學家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”。通過調節碳材料的帶隙，可以使其表現出迥異的電學性質（如金屬、半導體和絕緣體），從而在晶體管、能源存儲器件、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。制備新型碳材料一直是材料領域的前沿科學問題，以富勒烯、碳納米管、石墨烯、石墨炔為代表的新型碳材料的每一次發現都引發了材料學家的研究熱潮。1985年，Robert F. Curl、Jr、Harold Kroto和Richard E. Smalley發現C60（獲1996年諾貝爾化學獎）;2004年，Andre Geim和Konstantin Novoselov成功地從石墨中分離出石墨烯（獲2010年諾貝爾物理學獎）。

同一種元素構成的物質，由于原子排列不同，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、碳納米管、石墨烯和石墨炔。

2022年6月16日，中國科學院化學研究所研究員鄭健團隊在國際學術期刊《自然》（Nature）上發表了題為Synthesis of a monolayer fullerene network的新成果。該工作在常壓下通過簡單的反應條件，創制了一種新型碳同素異形體單晶——單層聚合C60。這是一種全新的簇聚二維超結構，由C60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，并具有適度的禁帶寬度，為碳材料的研究提供了全新思路。

迄今為止，構筑二維材料的最小單元是單個原子，被稱為人造原子的納米團簇作為基本單元構筑更高級的二維拓撲結構一直未能實現。由于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”的方法制備二維團簇碳材料單晶幾乎無法完成。鄭健課題組歷時5年，利用摻雜聚合-剝離兩步法，成功制備了單層二維聚合C60單晶，獲得了確鑿的價鍵結構。

通過調節鎂（Mg）和C60的比例，他們在常壓條件下制得了兩種緊密排列的準六方相和準四方相的Mg插層聚合物單晶，通過新的有機陽離子切片策略，使用四丁基水楊酸銨作為切割試劑，從準六方相結構中剝離得到單層C60聚合物。研究人員利用單晶X射線衍射（XRD）和掃描透射電子顯微鏡（STEM）對該單層C60聚合物進行了結構表征，結果顯示，C60之間通過C—C橋連單鍵和[2+2]環加成的四元環橋連鍵在平面內連接形成了一種全新的二維拓撲超結構。單層聚合C60的帶隙約為1.6 eV，是典型的半導體，預示其在光/電半導體器件中具有潛在應用。此外，該結構具有良好的熱力學穩定性，在約600 K（326.85 ℃）下仍舊穩定存在。

由于不對稱成鍵結構，單層聚合C60中每個C60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，這意味著該材料在非線性光學和功能化電子器件方面可能具有應用前景。此外，由于其獨特的共軛碳結構、巨大的超晶格和多孔骨架結構，該二維簇聚碳材料或在超導、量子計算、自旋輸運、信息及能量存儲、催化等領域也具有潛在應用價值。

該研究工作由中科院化學所有機固體實驗室獨立完成。該工作得到科技部國家重點研發計劃納米科學專項、國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項和北京分子科學國家研究中心的支持。