中科院化学研究所发现碳家族单晶新材料

半导体产业网讯：碳是我们这个星球上最重要的元素之一，碳原子具有极轻的原子质量和极强的共价键。碳是元素周期表中最多样化的元素之一，它可以与自身或者几乎所有的元素以多种杂化方式成键，获得结构丰富的碳网络，很多碳分子具有独特的π电子共轭体系，并展现出优异的力、热、光、电等属性。

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将由现今的“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。制备新型碳材料一直是材料领域的前沿科学问题，以富勒烯、碳纳米管、石墨烯、石墨炔为代表的新型碳材料的每一次发现都引发了材料学家的研究热潮。1985年，Robert F. Curl、Jr、Harold Kroto和Richard E. Smalley发现C₆₀（获1996年诺贝尔化学奖）；2004年，Andre Geim和Konstantin Novoselov成功地从石墨中分离出石墨烯（获2010年诺贝尔物理学奖）。

同一种元素构成的物质，由于原子排列不同，展现出不同的物理化学性质，称之为同素异形体。碳有多种同素异形体，包括金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管、石墨烯和石墨炔。

6月16日，中国科学院化学研究所研究员郑健团队在国际学术期刊《自然》（Nature）上发表了题为Synthesis of a monolayer fullerene network 的新成果。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思路。

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图a：准六方聚合C₆₀的单晶结构示意图，每个portant; overflow-wrap: break-word !important;">C_{portant; overflow-wrap: break-word !important;">60}与周围6个portant; overflow-wrap: break-word !important;">C_{portant; overflow-wrap: break-word !important;">60}通过C-C共价键相连。图b：单层聚合portant; overflow-wrap: break-word !important;">C_{portant; overflow-wrap: break-word !important;">60}的STEM图片，portant; overflow-wrap: break-word !important;">C_{portant; overflow-wrap: break-word !important;">60}笼簇在STEM图片中显示为圆环。

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portant; overflow-wrap: break-word !important;">图 2. 单层qHPC₆₀和少层qTPC₆₀