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成果簡介

碳納米材料在各個領域都具有廣泛的應用，例如石墨烯、納米管、納米片、納米帶等，是碳材料大家族中需求量最大的品種之一。然而，盡管碳納米材料在電子、光電子等領域表現出卓越性能，目前市場上存在的各種碳納米材料仍然存在著一些缺點，無法完全滿足不同應用領域的實際需求。

針對當前碳納米材料技術存在的不足，比如對半導體性質的調控難度、電子結構設計的限制等問題，麥吉爾大學化學系Dmytro F. Perepichka & Rustam Z. Khaliullin教授團隊聯合在Nature communication發題為“Prediction of highly stable 2D carbon allotropes based on azulenoid kekulene”研究成果。本文提出了一種創新的方案，即在碳納米材料中引入吲哚藍結構單元，以改變其電子性質并提高其在半導體器件等領域的應用性能。結果表明，引入吲哚藍結構的碳納米材料在穩定性和電子性質方面表現出色，具有潛在的應用前景。其中，一些材料被發現是半導體，具有輕型載流子和明顯的次能隙，這在傳統碳納米材料中是罕見的。

圖文導讀

在該研究中，他們使用了計算建模技術，嘗試將吲哚藍衍生的大環化合物吲哚并蒂花苯（AK）融合到石墨烯中，以產生具有穩定性和實用電子性質的二維碳結構。

具體來說，在圖1中，研究者展示了通過將AK單元融合到石墨烯晶格中來形成2D碳異構體的過程，并展示了各種AKC的電子性質。圖2展示了AKC、PAK和PG的結構以及相應的電子能帶結構圖。圖3則顯示了各種碳結構在凸包圖中的位置，從而揭示了它們的穩定性。圖4展示了不同材料的帶隙和有效載流子質量，揭示了它們的電子性質。圖5表征了基于吲哚并蒂花苯的氮化硼（BN）衍生材料的結構和電子能帶結構圖。圖6提供了AKC和PAK的合成路線。

研究結果表明，將AK單元融合到石墨烯中可以產生除石墨烯外最穩定的2D碳異構體，并打開0.54 eV的電子帶隙，同時在導帶之間形成0.80 eV的次級帶隙。其中一種多孔AK結構顯示出穩定的窄帶隙（0.36和0.56 eV）半導體特性，而其BN類似物則為寬帶隙（1.51和0.82 eV）半導體。這些結果表明，通過在碳納米結構中進行多帶隙工程，可以創造出具有實用電子和光電子性質的新型2D材料。

圖1. 2D 吲哚并蒂花苯碳（AKC）。a 吲哚并蒂花苯（AK）分子疊加在石墨烯晶格上。b–d AKC 半導體，按照PBE能量遞增順序排列，e–h AKC 半金屬和金屬，按照PBE能量遞增順序排列。在圖（b）–（h）中，材料使用方程（1）中的AKC-[n,m]命名法標記。能量以每個石墨烯原子上方的eV/原子顯示在右下角。在所有面板中，五邊形和七邊形分別用紅色和藍色顯示。AK單元內的花環單元以灰色顯示，而石墨矩陣以白色顯示。石墨矩陣的晶格矢量由黑色箭頭表示，而材料的晶胞顯示為綠色。

圖2. 吲哚并蒂花苯碳（AKC）及其對應的多孔吲哚并蒂花苯（PAK）和多孔石墨烯（PG）。（a）AKC-[3,3]，（b）PAK-[3,3]和（c）PG-[3,3]材料的PBE優化結構。五邊形和七邊形分別用紅色和藍色顯示。AK單元內的花環單元以灰色顯示，而石墨矩陣以白色顯示。d–f 三種材料的相應HSE電子能帶結構圖。在能帶結構圖（d–f）中，藍線和橙線分別表示價帶和導帶。在AKC-[3,3]的能帶結構圖（d）中，圓圈標記軌道圖的位置：g價帶，h費米能級上方的導帶，i第二能隙上方的導帶。在（g）–（i）中，黃色和藍色分別顯示Γ點處真實電子波函數的正區域和負區域。電子波函數的等值面值為3 × 10^-5。

圖3. PBE凸包圖。a 吲哚并蒂花苯碳（AKC），多孔吲哚并蒂花苯（PAK）和多孔石墨烯（PG）在由氫碳化物CxH1-x定義的PBE凸包圖上，該凸包圖由氫分子晶體、固態甲烷和六方石墨組成。b 凸包圖的放大區域顯示AKC和PAK材料。虛線顯示凸包上方的常數能級。聚苯網絡是一種2D多孔石墨烯，已在金屬表面上合成。

圖4. 帶隙和有效載流子質量。對于半導體吲哚并蒂花苯碳（AKC），多孔吲哚并蒂花苯（PAK）和多孔石墨烯（PG），顯示電子（實心形狀）和空穴（帶有負號，空心形狀）的有效質量。請注意，有效質量x軸是一個線性對數刻度：在[ -0.1,0.1]區間內是線性的，在此區間之外是對數的。

圖5. 吲哚并蒂花苯的氮化硼（BN）衍生材料。（a）BN-AKC-[3,3]，（b）BN-PAK-[3,3]和（c）BN-PG-[3,3]材料的結構。五邊形和七邊形分別用紅色和藍色顯示。AK單元內的花環單元以灰色顯示，而石墨矩陣以白色顯示。d–f 相應的HSE能帶結構圖。硼和氮原子分別用綠色和紫色圓圈表示。在能帶結構圖中，藍線和橙線分別表示價帶和導帶。

圖6. AKC-[3,3]和PAK-[3,3]的合成路線示意圖。合成從鹵代AK單體的烏爾曼偶聯開始，然后進行脫氫反應。五邊形和七邊形分別用紅色和藍色顯示。每個灰色區域內的六個碳原子存在于AKC-[3,3]中。在PAK-[3,3]中，這些碳原子被氫原子取代。

總結展望

本文通過將吲哚藍（AK）單元融合到石墨烯晶格中，創造了迄今為止穩定性最高的二維碳異構體。通過密度泛函理論計算，研究者們展示了根據AK單元在石墨烯晶格中的位置，可以調控新型AK基二維材料的性質，包括半導體、Dirac錐半金屬和金屬。尤其引人注目的是，在適當的AK單元位置布局下，可以形成具有導帶之間次能隙的半導體材料，這在二維碳材料中非常罕見，且之前僅在兩種高能二維碳中被預測。其中，PAK-[3, 3]材料作為一個穩定的窄多帶隙半導體，具有輕載流子，成為研究中的重要發現。這一新型材料的帶隙可以通過異質原子替代進一步調節，使其適應于光收集等應用。

文獻信息

Zhang, Z., Pham, H.D.M., Perepichka, D.F. et al. Prediction of highly stable 2D carbon allotropes based on azulenoid kekulene. Nat Commun 15, 1953 (2024).

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