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碳家族迎來(lái)環(huán)形碳新成員它們有望成為半導(dǎo)體材料

2023-12-06 15:37:49來(lái)源：化工儀器網(wǎng)關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體閱讀量：3988

　　碳是一種很常見(jiàn)的非金屬元素，它以多種形式廣泛存在于大氣和地殼和生物之中，是構(gòu)成生物的基本元素之一。與此同時(shí)碳還是一種非常“多變”的元素，即便沒(méi)有其他元素參與，它的家族中依舊存在許多特殊的“成員”。他們之中，有的堅(jiān)固無(wú)比，被包裝成愛(ài)情的象征，有的又薄如蟬翼，構(gòu)建起美妙的數(shù)字世界；還有的柔軟細(xì)膩，在紙上揮灑著文采……而直至今日，碳的家族仍舊在不斷擴(kuò)張。

　　近日，同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)成功合成了分別由10個(gè)或14個(gè)碳原子組成的環(huán)形純碳分子材料，為碳家族新添兩名未來(lái)可期的成員。而相關(guān)的成果也已經(jīng)以論文的形式發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》，感興趣的讀者可以去搜索學(xué)習(xí)，論文題目為《表面合成芳香性環(huán)型碳C10和C14》。

　　什么是環(huán)形碳？

　　碳構(gòu)成的物質(zhì)(同素異形體)其特殊特性是其結(jié)構(gòu)決定的，例如鉆石的堅(jiān)固源于每個(gè)碳原子和周?chē)膫€(gè)原子成鍵，石墨則是每個(gè)碳原子與周?chē)齻€(gè)源自成鍵——簡(jiǎn)單的說(shuō)，細(xì)微的結(jié)構(gòu)差距都可以讓碳物質(zhì)的特性天差地別。而環(huán)形碳的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的說(shuō)就是每個(gè)碳原子只和周?chē)鷥蓚€(gè)原子成鍵，這種類(lèi)型的機(jī)構(gòu)具備很高的反應(yīng)活性，因此很不穩(wěn)定，自然界也很難存在——這也是為什么人工合成環(huán)形碳困難的原因，甚至因此環(huán)型碳中每個(gè)碳原子和周?chē)鷥蓚€(gè)原子的成鍵方式一直還存在爭(zhēng)議，實(shí)驗(yàn)學(xué)家和理論學(xué)家也爭(zhēng)先恐后的嘗試解決環(huán)形碳的穩(wěn)定系問(wèn)題。

　　而目前人們熟知的C18環(huán)碳，其實(shí)誕生于2019年，當(dāng)時(shí)IBM實(shí)驗(yàn)室與牛津大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)合作，也能夠?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證了C18為單鍵和三鍵交替的聚炔型結(jié)構(gòu)，但與此同時(shí)也證明了想要合成更小的環(huán)形碳十分困難。也就在差不多時(shí)間，有理論預(yù)測(cè)C10是環(huán)型(n ≥ 10)和線型(n < 10)的分界點(diǎn)，同時(shí)也是最大的芳香性累積烯烴型環(huán)型碳。這也是為什么同濟(jì)大學(xué)此次的成果能夠引發(fā)學(xué)界的熱烈討論。

　　用“手術(shù)”的方式合成“碳”

　　據(jù)悉，這次C10和C14的合成方式采用了全新的思路，團(tuán)隊(duì)先設(shè)計(jì)了全鹵化萘(C10Cl8)和蒽(C14Cl10)兩種前驅(qū)體分子，之后利用液氦4.7K將它們凍住，并利用STM針尖進(jìn)行原子操縱，誘導(dǎo)兩種分子完全脫鹵并伴隨發(fā)生反伯格曼開(kāi)環(huán)反應(yīng)。此外，在合成的C10和C14上，團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，新的碳異形體均具有累積烯烴型的結(jié)構(gòu)，其中C10完全沒(méi)有鍵長(zhǎng)交替，而C14存在一個(gè)非常小的鍵長(zhǎng)交替。

　　而從結(jié)果上來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究用實(shí)驗(yàn)的方式合成并表征了C10及C14的結(jié)構(gòu)，為相關(guān)環(huán)碳研究提供了重要依據(jù)。并且在推動(dòng)環(huán)型碳領(lǐng)域的發(fā)展的同時(shí)，也為電子器件的發(fā)展提供了新的理論基礎(chǔ)——合成環(huán)形碳被認(rèn)為是一種具備潛力的半導(dǎo)體材料。

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