石墨烯的強勁對手不再只是想像,科學家首製造出夢幻材料石墨炔

作者 | 發布日期 2022 年 05 月 23 日 18:40 | 分類 材料 Telegram share ! follow us in feedly


如果說石墨烯(Graphene)是讓科學家眼前為之一亮的神奇材料,那麼原存於想像中的石墨炔(Graphyne)這種夢幻材料會讓人從椅子上跳起來,後者某些方面比石墨烯更具應用前景。現在,科學家證實了這個長期假設的夢幻材料存在,首度成功製造出石墨炔。

碳具多功能性,工業用途也相當廣泛,因此科學家對於構建新穎的碳同素異形體甚感興趣,根據 sp2、sp3 等軌域及相應鍵的配對,可以不同方式構建碳同素異形體。這些年來,科學家們利用傳統化學方法已成功製造各種碳同素異形體,比如富勒烯(或稱巴克球)和石墨烯等,也一直試圖合成稱為石墨炔(Graphyne)的新型碳,但後者數十年來成果有限。

理論上石墨炔與石墨烯結構相似,都僅單原子層厚,但石墨炔是由 sp 雜化和 sp2 雜化的碳原子構成之晶體,可以看成用碳碳三鍵連接而成的苯,可能存在數種不同幾何結構,包括六方晶系和立方晶系。

由於結構內電位差,石墨炔每種結構可能根據內部構成提供不同機械、光學與電子特性,也許最引人注目的是石墨炔導電性能媲美石墨烯,但只能往一個方向傳導電子,有機會應用於奈米電子元件;一些人認為石墨炔中可能和石墨烯一樣存在狄拉克錐(Dirac cone),尤其是理論推導的 6,6,12 立方晶系結構,其獨特對稱屬性使石墨炔可以自摻雜,擁有 2 個分別在費米能級上下距離不遠的狄拉克錐,可作為半導體材料。

現在,科羅拉多大學波德分校團隊透過炔烴複分解(alkyne metathesis)過程及熱力學、動力學控制方法,成功製造出以前未能實現的石墨炔,填補碳材料科學中的空白,為電子、光學、半導體材料研究領域開闢全新可能性,也將讓科學家有機會比較石墨炔與石墨烯更多差異。

團隊接下來還需研究如何大規模製造與操作石墨炔,畢竟這是非常新穎的材料。論文發表在《Nature Synthesis》期刊。

(首圖來源:科羅拉多大學波德分校)