中科院造出单层聚合碳60有望用于半导体、量子计算等领域

最近几天，中科院化学所简媜研究员团队在常压下通过简单的反应条件，创造出一种新的碳同素异形体单晶——单层聚合碳60，未来有望应用于半导体，量子计算，化学催化等领域相关结果发表在6月16日的《自然》杂志上

碳一直被认为是未来的材料，甚至有材料科学家认为，人类社会将从现在的硅基电子时代步入未来的碳基电子时代通过调节碳材料的带隙，可以表现出截然不同的电学性质，因此被广泛应用于晶体管，储能器件，超导等领域

由同一种元素组成的物质，由于原子排列不同而表现出不同的物理化学性质，称为同素异形体碳的许多同素异形体包括金刚石，石墨，富勒烯，碳纳米管，石墨烯和石墨炔碳的性质与其拓扑结构密切相关，因此研究新的二维碳同素异形体，特别是带隙的新结构，建立结构与物理性质的关系具有重要意义新型碳材料的制备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，都引发了材料科学的研究热潮

这一次，中科院化学所简媜研究员团队在常压下通过简单的反应条件，创造了一种新的碳同素异形体单晶——单层聚合碳60这是一种全新的团簇二维超结构，由碳60团簇笼在平面上通过碳碳键相互共价键合形成规则的拓扑结构

上述新型碳材料结晶度高，热力学稳定性好，带隙适中，为碳材料的研究提供了新的思路带隙是半导体的重要特征参数，其大小主要取决于半导体的能带结构，即与晶体结构和原子的成键性质有关

到目前为止，构建二维材料的最小单位是单个原子，被称为人工原子的纳米团簇作为基本单位构建更高级的二维拓扑结构还没有实现由于碳碳成键的反应产率不是100%，且反应是不可逆的，所以用传统的化学反应和分子自下而上砌砖的方法制备二维团簇碳单晶几乎是不可能的因此，简媜研究组历时5年，采用掺杂聚合—剥离两步法，即先在晶体制备过程中掺杂离子，再聚合后去除离子，最后从准六方相结构中剥离，得到单层C60聚合物团队成功制备了单层2D聚合C60单晶，并获得了确定的价键结构

用单晶X射线衍射和扫描透射电子显微镜对单层C60聚合物进行了表征，结果表明其形成了新的二维拓扑超结构单层C60的禁带宽度约为1.6电子伏，这表明它在光或电半导体器件中有潜在的应用此外，该结构具有良好的热力学稳定性，在600开尔文左右仍稳定存在

在C60的单层聚合中，由于不对称的成键结构，每个C60单元被拉伸成同方向的椭球体，使得这种新型碳材料具有显著的平面各向异性，如各向异性声子模和电导率这意味着这种材料在非线性光学和功能电子器件方面也可能有应用前景

此外，由于单层聚合C60独特的共轭碳结构，巨大的超晶格和多孔骨架结构，这种二维团簇碳材料可能在超导，量子计算，自旋输运，信息和能量存储，催化等领域具有潜在的应用价值。

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