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液相范德华外延合成超薄石墨炔膜

战胜传统外延法的短板

低维的碳同素异形体由于极好的性质和诸多潜在应用而备受关注。其中,石墨炔(GDY)具有适中的带隙和室温下的高电子迁移率,且其高度π共轭体系和有序的多孔结构有希望应用于催化、气体分离、能源等领域。但是在聚合过程中,1)单体中炔烃基与苯环之间桥连的单键可以自由旋转,导致生长非平面的晶体框架;2)传统外延生长法要求GDY与基底材料晶格适配;3)Ehrlich-Schwoebel(ES)能垒导致单体分子在外延层上富集并成核,促使面外的层层堆叠。因此,制备真正意义上的二维GDY仍然困难重重。

液相范德华外延合成超薄石墨炔膜

为了解决这一难题,北京大学的刘忠范教授、张锦教授、童廉明副研究员及阿卜杜拉国王科技大学的韩宇教授课题组共同提出一种简单的液相范德华外延的方法,成功在石墨烯基底上生长出二维的超薄单晶GDY膜。在合成过程中,由于六乙炔基苯(HEB)单体与石墨烯基底的结合能高于GDY,这些单体在热动力学上更倾向于优先吸附在石墨烯上进行面内的埃格林顿耦合反应。同时,这种基于范德华作用的外延生长极大地减弱晶格失配和ES能垒的影响,而且以原子级平整的石墨烯为基底使得GDY倾向于在面内耦合构筑成平整结构。此外,理论计算与高分辨表征等结果表明石墨炔具有ABC堆垛结构、结晶性优异等性质。

低维碳材料合成问题迎刃而解

本文提出的新颖的液相范德华外延方法,通过选择合适的单体和基底,为设计和合成其他不同程度sp和sp2杂化的二维乙炔碳的同素异形体提供了思路。本文方法新颖,设计独特,使得该工作成功发表在Sci. Adv.上。

来源:二维加

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