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Nature子刊:二維異質(zhì)結(jié)新進(jìn)展!

成果簡(jiǎn)介
碳納米材料在各個(gè)領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)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(lǐng)域表現(xiàn)出卓越性能,目前市場(chǎng)上存在的各種碳納米材料仍然存在著一些缺點(diǎn),無法完全滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)際需求。
針對(duì)當(dāng)前碳納米材料技術(shù)存在的不足,比如對(duì)半導(dǎo)體性質(zhì)的調(diào)控難度、電子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制等問題,麥吉爾大學(xué)化學(xué)系Dmytro F. Perepichka & Rustam Z. Khaliullin教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合在Nature communication發(fā)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(chuàng)新的方案,即在碳納米材料中引入吲哚藍(lán)結(jié)構(gòu)單元,以改變其電子性質(zhì)并提高其在半導(dǎo)體器件等領(lǐng)域的應(yīng)用性能。結(jié)果表明,引入吲哚藍(lán)結(jié)構(gòu)的碳納米材料在穩(wěn)定性和電子性質(zhì)方面表現(xiàn)出色,具有潛在的應(yīng)用前景。其中,一些材料被發(fā)現(xiàn)是半導(dǎo)體,具有輕型載流子和明顯的次能隙,這在傳統(tǒng)碳納米材料中是罕見的。
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圖文導(dǎo)讀

在該研究中,他們使用了計(jì)算建模技術(shù),嘗試將吲哚藍(lán)衍生的大環(huán)化合物吲哚并蒂花苯(AK)融合到石墨烯中,以產(chǎn)生具有穩(wěn)定性和實(shí)用電子性質(zhì)的二維碳結(jié)構(gòu)。
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(gòu)體的過程,并展示了各種AKC的電子性質(zhì)。圖2展示了AKC、PAK和PG的結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的電子能帶結(jié)構(gòu)圖。圖3則顯示了各種碳結(jié)構(gòu)在凸包圖中的位置,從而揭示了它們的穩(wěn)定性。圖4展示了不同材料的帶隙和有效載流子質(zhì)量,揭示了它們的電子性質(zhì)。圖5表征了基于吲哚并蒂花苯的氮化硼(BN)衍生材料的結(jié)構(gòu)和電子能帶結(jié)構(gòu)圖。圖6提供了AKC和PAK的合成路線。
研究結(jié)果表明,將AK單元融合到石墨烯中可以產(chǎn)生除石墨烯外最穩(wěn)定的2D碳異構(gòu)體,并打開0.54 eV的電子帶隙,同時(shí)在導(dǎo)帶之間形成0.80 eV的次級(jí)帶隙。其中一種多孔AK結(jié)構(gòu)顯示出穩(wěn)定的窄帶隙(0.36和0.56 eV)半導(dǎo)體特性,而其BN類似物則為寬帶隙(1.51和0.82 eV)半導(dǎo)體。這些結(jié)果表明,通過在碳納米結(jié)構(gòu)中進(jìn)行多帶隙工程,可以創(chuàng)造出具有實(shí)用電子和光電子性質(zhì)的新型2D材料。
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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(dǎo)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(biāo)記。能量以每個(gè)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(lán)色顯示。AK單元內(nèi)的花環(huán)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。
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圖2. 吲哚并蒂花苯碳(AKC)及其對(duì)應(yīng)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(yōu)化結(jié)構(gòu)。五邊形和七邊形分別用紅色和藍(lán)色顯示。AK單元內(nèi)的花環(huán)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(yīng)HSE電子能帶結(jié)構(gòu)圖。在能帶結(jié)構(gòu)圖(d–f)中,藍(lán)線和橙線分別表示價(jià)帶和導(dǎo)帶。在AKC-[3,3]的能帶結(jié)構(gòu)圖(d)中,圓圈標(biāo)記軌道圖的位置:g價(jià)帶,h費(fèi)米能級(jí)上方的導(dǎo)帶,i第二能隙上方的導(dǎo)帶。在(g)–(i)中,黃色和藍(lán)色分別顯示Γ點(diǎn)處真實(shí)電子波函數(shù)的正區(qū)域和負(fù)區(qū)域。電子波函數(shù)的等值面值為3 × 10^-5。
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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(tài)甲烷和六方石墨組成。b 凸包圖的放大區(qū)域顯示AKC和PAK材料。虛線顯示凸包上方的常數(shù)能級(jí)。聚苯網(wǎng)絡(luò)是一種2D多孔石墨烯,已在金屬表面上合成。
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圖4. 帶隙和有效載流子質(zhì)量。對(duì)于半導(dǎo)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(shí)心形狀)和空穴(帶有負(fù)號(hào),空心形狀)的有效質(zhì)量。請(qǐng)注意,有效質(zhì)量x軸是一個(gè)線性對(duì)數(shù)刻度:在[ -0.1,0.1]區(qū)間內(nèi)是線性的,在此區(qū)間之外是對(duì)數(shù)的。
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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(jié)構(gòu)。五邊形和七邊形分別用紅色和藍(lán)色顯示。AK單元內(nèi)的花環(huán)單元以灰色顯示,而石墨矩陣以白色顯示。d–f 相應(yīng)的HSE能帶結(jié)構(gòu)圖。硼和氮原子分別用綠色和紫色圓圈表示。在能帶結(jié)構(gòu)圖中,藍(lán)線和橙線分別表示價(jià)帶和導(dǎo)帶。
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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(lián)開始,然后進(jìn)行脫氫反應(yīng)。五邊形和七邊形分別用紅色和藍(lán)色顯示。每個(gè)灰色區(qū)域內(nèi)的六個(gè)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(jié)展望

本文通過將吲哚藍(lán)(AK)單元融合到石墨烯晶格中,創(chuàng)造了迄今為止穩(wěn)定性最高的二維碳異構(gòu)體。通過密度泛函理論計(jì)算,研究者們展示了根據(jù)AK單元在石墨烯晶格中的位置,可以調(diào)控新型AK基二維材料的性質(zhì),包括半導(dǎo)體、Dirac錐半金屬和金屬。尤其引人注目的是,在適當(dāng)?shù)腁K單元位置布局下,可以形成具有導(dǎo)帶之間次能隙的半導(dǎo)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(yù)測(cè)。其中,PAK-[3, 3]材料作為一個(gè)穩(wěn)定的窄多帶隙半導(dǎo)體,具有輕載流子,成為研究中的重要發(fā)現(xiàn)。這一新型材料的帶隙可以通過異質(zhì)原子替代進(jìn)一步調(diào)節(jié),使其適應(yīng)于光收集等應(yīng)用。
文獻(xiàn)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). https://doi.org/10.1038/s41467-024-46279-8

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