Syntese af todimensionel holey graphyne

Diamant og grafit er to naturligt forekommende kulstofallotroper, som vi har kendt til i tusinder af år. De er elementære carbonatomer, der er arrangeret på en måde, så de består af sp ³ og sp ² henholdsvis hybridiserede carbonatomer. For nylig har opdagelsen af ​​forskellige andre kulstof-allotrope materialer, såsom grafen, fulleren, kulstofnanorør, grafyn og grafdiyn, revolutioneret moderne nanomaterialevidenskab. Især grafenforskning har gjort betydelige fremskridt inden for moderne kemi og fysik på grund af dets fascinerende egenskaber.

Grafen er blevet udråbt som et vidundermateriale, der potentielt kan revolutionere halvlederindustrien på grund af dets exceptionelle elektronmobilitetsegenskaber. På trods af hypen ser det ud til, at vores civilisation stadig er langt fra at gå fra siliciumalderen til grafenalderen. Den største udfordring ved at bruge grafen i elektronik er den elektroniske struktur med nul båndgab af grafen. Dette gør det umuligt at slukke for grafenbaserede transistorer, hvilket begrænser deres anvendelse i halvlederindustrien. Selvom det er muligt at overvinde denne begrænsning ved at dope eller funktionalisere grafenet, er der også stor interesse i søgningen efter nye typer 2D carbon allotroper, der har exceptionelle halvledende egenskaber, såsom et ordentligt energibåndgab og høj mobilitet.

For nylig opdagede forskere, at det er muligt at give mange egenskaber, der er egnede til en halvleder, til grafen eller grafenoxider ved at skabe mange huller i dens struktur. Denne nye type materiale kaldes "holey graphene." Sammenlignet med grafen, γ-grafyn eller grafdiyn, har holey grafen ikke kun de ideelle 2D halvledende egenskaber, men har også ikke-lineær sp-binding og en speciel π-konjugeret struktur, som tilbyder lovende anvendelser inden for optoelektronisk, energihøst, gasseparation, katalyse, vandrensning, sensor og energirelaterede områder.

Hidtil er holey graphene blevet produceret i laboratorier ved først at syntetisere graphene, derefter udsætte graphene for fysisk, kemisk eller hydrotermisk behandling for at punktere mange huller i strukturen. En sådan top-down tilgang til produktion har imidlertid sine begrænsninger, fordi størrelsen og fordelingen af ​​'hullerne' er ujævn og svær at kontrollere.

Ledet af Associate Director Lee Hyoyoung udviklede forskere fra Center for Integrated Nanostructure Physics (CINAP) i Institute for Basic Science, Sydkorea, en bottom-up-tilgang til at skabe sådant materiale. For første gang udtænkte gruppen en metode til at konstruere topologisk 2D kulstofmateriale atom for atom.

Dette nye todimensionelle enkeltkrystallinske materiale blev kaldt "holey-graphyne" (HGY) af gruppen. HGY består af skiftevis forbundet mellem benzenringe og C≡C-bindinger, bestående af et mønster af seks-vertex- og stærkt spændte otte-vertex-ringe og en lige stor procentdel af sp ² og sp hybridiserede carbonatomer.

"Vi blev inspireret af et spændende molekyle, dibenzocyclooctadiyne, som først blev syntetiseret af Sondheimer og kolleger i 1974. I dibenzocyclooctadiyne er to aromatiske benzenringe forbundet af to bøjede acetyleniske bindinger, hvilket resulterer i en meget belastet denne otte-leddet ring. spændende molekyle inspirerede os til at designe og syntetisere den nye carbon allotrope, version af materialet, nemlig holey-graphyn," sagde Associate Director Lee.

Forskergruppen producerede den ultratynde enkeltkrystallinske HGY med succes ved at bruge 1,3,5-tribrom-2,4,6-triethynylbenzen som basismateriale. Det enkelt atomare lag tynde HGY blev derefter syntetiseret mellem grænsefladen af ​​to opløsningsmiddelsystemer bestående af vand og dichlormethan. Den nye HGY udviste et direkte båndgab på omkring 1,1 eV og fremragende beregnet bærebølgemobilitet, hvilket gør den velegnet som et halvledermateriale.

Denne nye opdagelse demonstrerer ikke kun den første syntese af den ultratynde enkeltkrystallinske HGY, men introducerer også et nyt koncept for design og syntese af sådan en ny type 2D carbon allotrop. Det er håbet, at den fremtidige anvendelse af HGY i halvlederindustrien vil bane bølgen for en ny generation af elektronik ud over siliciumalderen.

Forskningen blev offentliggjort i Matter . + Udforsk yderligere

Opnå kant-lukkede grafen nanobånd ved at klemme kulstof nanorør