中科院化学所郑健教授，最新Nature！

二维碳材料，如石墨烯，由于其共轭碳网络结构中独特的π-电子系统，所产生的特殊载流子输运特性，引起了人们的特别关注。为了补充零禁带石墨烯，材料科学家们投入了相当大的精力，来识别二维碳材料。然而，制备大尺寸带隙适中的单晶二维碳材料是一个挑战。

在此，来自中国科学院化学研究所的郑健等研究者，通过层间键合解理策略，制备了一种大尺寸的单晶二维碳材料，即单层准六方相富勒烯(C₆₀)。相关论文以题为“Synthesis of a monolayer fullerene network”于2022年06月15日发表在Nature上。

二维(2D)材料，由于其独特的电子和光学特性，而引起了人们的极大兴趣，这些特性源于单层极限中的量子约束。其中，二维碳材料最为引人注目。共轭碳网络结构的二维碳材料，表现出特殊的载流子输运特性，这是由其独特的π电子体系引起的。

碳元素是元素周期表中最通用的元素之一，在sp、sp²和sp³杂化中，碳元素可以与自身或几乎所有元素结合。通过改变杂化碳原子网络中的周期性结合图案，研究表明二维碳材料的物理性质具有很大的多样性，包括可调谐的带隙，从金属、半导体或绝缘，它们在晶体管、储能器件和超导体中有广泛的应用。为了进一步探索二维碳网络的有趣性质，人们已经付出了大量的努力，而这些性质与网络的拓扑结构密切相关。因此，研究二维碳同素异形体，特别是带隙碳同素异形体的研究已经开展。

到目前为止，关于二维材料的报道，还局限于单原子结构单元交织的周期性网络结构。用先进的结构单元(如簇)建造二维结构，是一个很少被研究的概念。纳米团簇被称为人造原子，可以以类似于原子的方式结合，从而构建高级结构。由纳米团簇结构单元构建的二维结构，有望具有优越的拓扑结构和独特的性能；然而，这些结构尚未被报道。

富勒烯(C₆₀)是典型的碳团簇。在极高的压力下，C₆₀发生聚合，形成簇间共价键，形成C₆₀的层状结构。这样的C₆₀聚合物层，在二维平面上呈现出碳团簇重复排列的规则起伏拓扑结构，具有有趣的电子、磁性性质。然而，由于其在常压下的低收率和亚稳性，从层状聚合物C₆₀制备具有稳定有序结构的原子尺度二维聚合物C₆₀是相当具有挑战性的，进一步阻碍了其本征性质的研究。

在此，研究者制备了原子尺度的二维聚合物C₆₀，这是一种二维碳材料，其框架由C₆₀分子在一个平面上共价键合形成周期性的纳米团簇网络结构。通过调节Mg和C₆₀的比例，在常压下通过简单反应合成了两种稳定的镁插层聚合物C₆₀块体单晶，它们是紧密堆积的准六边形和准四边形相。

采用有机阳离子切片的方法，从准六方体单晶中剥离出单层聚合物C₆₀，从准四方体单晶中剥离出多层聚合物C₆₀。这两种原子尺度的二维聚合物C60材料，都具有较高的结晶度和独特的拓扑结构。与石墨烯和游离C₆₀相比，单层聚合物C₆₀具有约1.6 eV的能带隙，这表明其在半导体器件中的潜在应用；此外，还表现出良好的热力学稳定性。此外，由于非对称晶格结构，在单层聚合物C₆₀中观察到显著的面内各向异性性质，包括各向异性声子模和电导率，使其成为功能化电子器件的一种有前途的面内各向异性二维材料。

图1. 用单晶XRD测定了qHP C₆₀和qTP C₆₀的晶体结构

图2. 单层qHP C₆₀和多层qTP C₆₀

图3. qHP C₆₀的拉曼光谱和能带结构

图4. qHP C₆₀的各向异性性质

综上所述，研究者成功地制备了具有周期性排列簇状拓扑结构的稳定晶体单层聚合物C₆₀。单分子层qHP C₆₀的非对称晶格结构，导致了明显的面内各向异性性质，如双对称的各向异性电导率。单层聚合物C₆₀约1.6 eV的中等禁带，弥合了半金属石墨烯和大禁带富勒烯之间的能隙，使聚合物C₆₀成为二维光电器件的潜在候选材料。研究者对单层聚合物C₆₀的研究，有望为探索具有独特拓扑结构和性能的二维碳提供新的视角。

文献信息

Hou, L., Cui, X., Guan, B. et al. Synthesis of a monolayer fullerene network. Nature 606, 507–510 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04771-5

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04771-5

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