科学家制备新型碳基晶体材料有望应用在电子器件和能源存储等领域

2023-03-19 13:48:16

　　玩加电竞官网发展新的材料和新的结构，是材料科学领域的科研工作者的主要任务之一。近年来，探索更多新型碳晶体材料，并实现其基本性质和应用性能的理性设计，是该领域研究人员的重要研究方向。

　　近期，中国科学技术大学团队采用电荷注入的技术，将 α-氮化锂和碳 60 粉末混合并在中等温度条件下加热，成功制备出了克量级的长程有序多孔碳（long-range ordered porous carbon，LOPC）。

　　“这是一种之前没有被报道过的新型碳晶体材料。”中国科学技术大学教授表示，“从初步性质测量结果上看，LOPC 作为由碳 60 分子组成的三维周期性晶体，同时受到碳 60 分子的低维特性和晶体的有序特征带来的影响，其电子性质在一个很宽的范围内可进行调控。”

　　材料的应用与其结构和性质息息相关。未来该团队计划对 LOPC 进一步进行高精度调节，使其在半导体、电子器件、光电探测，以及能源存储和能量转化等方面得到应用。

　　2023 年 1 月 11 日，相关论文以《由 C60 生产的长程有序多孔碳》（）为题发表在 Nature 上 [1]。

　　中国科学技术大学潘飞特任副研究员、倪堃特任副研究员和东南大学徐涛副教授为该论文的共同第一作者，韩国基础科学研究所（Rodney. S. Ruoff）教授和中国科学技术大学教授为该论文的共同通讯作者。

　　据介绍，该研究持续了超过十年的时间，主要工作在最近三四年里集中进行。“如果从对这个方向的思考算起，我们其实从 2011 年就开始了。”他说。

　　正是在那年，他和团队在 Science 上发表了一篇论文，报道了通过化学活化方法，将石墨烯重构成了一种具有三维网络结构特征的多孔碳材料 [2]。当时，教授在美国德克萨斯大学奥斯汀分校，还是他的一名博士后。

　　“那时候我就设想，如果这个初始材料不是石墨烯，而是富勒烯或碳纳米管等其他的纳米单元，把它们连在一起，应该也可以得到更新的、甚至可能具有周期性的非常有序的三维碳材料。”表示。

　　回国开展独立研究之后，团队就开始朝着这个目标前进。一开始，他们仍然采用化学活化方法，却发现该方法过于“剧烈”，很容易破坏 60 个碳原子组成的结构，甚至将其剪切成很小的量子点。这让他们感到十分苦恼。

　　“我们又尝试了很多种方法，一直没有找到既能保持碳 60 的分子结构基本不变，又能将它们连到一起的方法。”他说，“这个难题的科学本质在于，我们需要一种更高精度的制备手段，实现对差异微小的热力学状态分辨和动力学状态的控制。”

　　于是，研究进入到暂时的停滞状态。直到三年前，研究组潘飞博士在开展另一项研究时，发现电荷注入技术有可能帮助他们实现目标。

　　经过实验，他们发现该技术相较于活化的“大火快煮”，更加接近“文火慢炖”，利用一种细致温柔的相互作用，将碳 60 分子连在一起。此后的研究中，经过对多种参数的摸索，他们得到了 LOPC 这种新的晶体结构。

　　很多年前科学家们就发现，将富勒烯堆积在一起，并给它施加一定的温度和压力，就可以促成分子间的连接，得到新型的碳材料。但通过这种方式得到的样品量非常少，结构也不均匀，还可能含有杂质，给系统探索该类新型碳材料的结构和应用带来了阻碍。

　　“而电荷注入技术是一种化学制备方法，能够实现碳晶体材料的大量制备，这有利于我们对它进行详细研究，并探索它能在哪些方面获得应用，进而促进该方向的发展。”解释说。

　　由于 LOPC 是由纯的碳原子构成的，而碳的原子序数比较小，并且是三维结构，因此确认其原子级别精度的结构细节极具挑战性，该团队几乎考虑了所有能接触得到的结构表征技术。

　　为了解决结构表征难题，他们先在东南大学教授课题组的帮助下，使用球差矫正的高分辨透射电子显微镜进行观察，后又通过当时尚处于试运行阶段的、位于广东东莞的中国散裂中子源装置观察了样品，并得到了非常有用的数据。

　　“这些数据和其他数据合在一起，构成了相对完整的证据链，帮助我们对晶体中的原子结构特征获得了更加清晰的认识。”说。

　　从理论上看，通过富勒烯分子得到的晶体结构具有非常多的可能性。通过计算机模拟和计算，该团队搜索出了几十万种结构。

　　他表示：“因为碳 60 之间的连接方式有太多的可能性，所以需要通过对照理论计算出来的模型特征，找出和实验结果符合得最好的结构。”

　　但利用人工从数十万个计算的结构中筛选出目标结构显然非常困难，于是该团队的倪堃博士发展了一些特别的筛选算法，能按照一定的筛选原则，将这几十万种结构进行分类，并通过细化，最终给出了最为接近的原子结构细节特征。

　　“对于该项研究来说，我们不仅仅提出方法并制备出了材料，更重要的是掌握了从富勒烯开始得到三维晶体材料的结构演化特征，并了解到在这个演化路径上还有非常多其他有趣的新型结构存在。希望我们取得的进展，能够帮助碳材料领域的其他研究人员拓宽思路，获得更多新型碳材料，并发现更多有趣的性质和有价值的应用。”最后说。