碳材料家族又添2位新成員：通過對兩種分子實施“麻醉”和“手術(shù)”，同濟大學(xué)科研團隊首次成功合成了分別由10個或14個碳原子組成的環(huán)形純碳分子材料。

北京時間11月30日，國際學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表了同濟大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院許維教授團隊的這一最新科研成果。

這項研究首次成功精準(zhǔn)合成了兩種全新的碳分子材料（碳同素異形體），即芳香性環(huán)型碳C10和C14，并精細(xì)表征了它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)，這兩種合成的新穎碳結(jié)構(gòu)有望應(yīng)用于未來的分子電子學(xué)器件中。

在這項研究中，團隊采用了不同于C18的將環(huán)狀碳氧化合物作為前驅(qū)體的合成路線，創(chuàng)新性地設(shè)計了全鹵化萘（C10Cl8）和蒽（C14Cl10）兩種前驅(qū)體分子。團隊將這兩種分子放在“手術(shù)臺上”（氯化鈉薄膜）并將其“麻醉”（液氦4.7 K凍住），而后利用STM針尖作為“手術(shù)刀”對其進行“手術(shù)”（原子操縱），進而誘導(dǎo)兩種分子完全脫鹵并伴隨發(fā)生反伯格曼開環(huán)反應(yīng)，最終成功地在表面上合成了兩種芳香性環(huán)型碳C10和C14。化學(xué)鍵分辨的原子力顯微鏡表明，不同于此前C18的聚炔型結(jié)構(gòu)，C10和C14均具有累積烯烴型的結(jié)構(gòu)。

團隊進一步通過理論計算發(fā)現(xiàn)，這2位碳材料家族的新成員并非擁有完全一致的特性，C10完全沒有鍵長交替，而C14作為從累積烯烴型C10到聚炔型C18的過渡態(tài)，存在一個非常小的鍵長交替，從實驗上也無法分辨出來。

許維教授表示，這項研究工作極大推動了環(huán)型碳領(lǐng)域的發(fā)展，提出的表面合成策略有望成為一種合成系列環(huán)型碳的普適性方法。同時，合成的環(huán)型碳有望發(fā)展成為新型半導(dǎo)體材料，并在分子電子器件中有著廣闊的應(yīng)用前景。


世界首例全碳電子器件

2019年，廈門大學(xué)固體表面物理化學(xué)國家重點實驗室、能源與石墨烯創(chuàng)新平臺洪文晶教授、謝素原教授與英國蘭卡斯特大學(xué)柯林·蘭伯特院士團隊合作創(chuàng)造了世界首例具有原子精度的全碳電子器件！

將具有原子級規(guī)整結(jié)構(gòu)和優(yōu)異電學(xué)特性的富勒烯材料和石墨烯結(jié)合，發(fā)表在《自然·通訊》的科研成果，正是兩種碳材料美麗邂逅碰撞出的花火。全碳電子器件精度達(dá)到原子級別，相較傳統(tǒng)的、基于硅基半導(dǎo)體的微納電子器件，具有更快的速度和更低的功耗，將是一項最有希望替代現(xiàn)有硅基技術(shù)的未來信息器件方向之一。

研究工作主要從兩方面進行。一方面，研究小組在銅上生長了石墨烯；另一方面，謝素原課題組的田寒蕊博士負(fù)責(zé)制備各種類型的碳團簇分子，值得一提的是，碳籠C50即謝素原2003年發(fā)表在Science上的研究成果，研究中所用的C50H10是后續(xù)發(fā)展的利用火焰燃燒法進行宏量制備C50所合成的。

謝素原毫無保留地將實驗室富勒烯研究方向幾十年的積淀都拿出來了。富勒烯雖然相伴而生，但對于一些新型的富勒烯含量比較低，一次性合成量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，每一次合成的產(chǎn)品，都像是鍋底的炭黑，每次掃完灰，同學(xué)身上總是黑黑的。用來制備富勒烯的爐子也需要不斷地調(diào)控，控制溫度等條件，研究生們?nèi)找怪蛋唷Q班，工作的辛苦不言而喻，同時也表現(xiàn)出了謝素課題組同學(xué)們之間非常好的團隊合作精神。田寒蕊在漳州校區(qū)做實驗，為保證高效率的溝通合作，往往需要搭乘輪渡，花費一個多小時才能到達(dá)思明校區(qū)。

洪文晶實驗室致力精密儀器研究，與謝素原富勒烯優(yōu)勢兩相結(jié)合，就可以將本來被普遍認(rèn)為極具潛力的電子學(xué)材料的石墨烯應(yīng)用到電子器件領(lǐng)域去。“肖宗源老師的材料，謝素原老師的化學(xué)，我們的工程，加上柯林·蘭伯特院士的物理，這種跨學(xué)科的交叉，才有了這項成果。”

碳材料促進柔性電子器件研發(fā)

黃維院士，曾經(jīng)表示未來將是“碳基材料+光電過程”（或曰“碳+光”）的時代，石墨烯、碳基納米材料、有機高分子材料，以及激光與光通信、光存儲、光顯示等將成為其顯著特征。“碳基材料+光電過程”催生了柔性電子和柔性電子產(chǎn)業(yè)，并為其開辟了極為廣闊的發(fā)展空間，將深刻變革人類生產(chǎn)方式、生活方式、思維方式。例如，柔性傳感器與可穿戴設(shè)備、柔性芯片、柔性微控制器、柔性晶體管、柔性非易失邏輯器件、柔性儲能器件、柔性顯示……

以碳基納米材料在半導(dǎo)體中的應(yīng)用為例：隨著后摩爾時代的到來，在為數(shù)不多的幾種可能的替代材料中，碳基納米材料因為具有高的本征遷移率、彈道輸運特性、相同的電子和空穴的有效質(zhì)量以及單原子層結(jié)構(gòu)等，被認(rèn)為是最有希望的。

雖然以有機物半導(dǎo)體作為溝道材料構(gòu)建的器件具有加工工藝簡單、造價低，可以利用打印或者印刷的方式進行制備的優(yōu)點，但是器件速度慢、功耗高、晶體管開關(guān)比低，不利于構(gòu)建復(fù)雜度較高和高性能的柔性電子電路。

IBM 公司最新的理論計算研究成果如下圖所示，其數(shù)據(jù)表明在相同的器件特征尺寸下，碳納米管場效應(yīng)晶體管器件比硅基鰭式場效應(yīng)晶體管器件在性能上能提高 2 倍以上，而在功耗降低至原來的 50％以下，從而具有大概 5 倍能量延遲積的優(yōu)勢，這表明碳基納米材料具備未來電子技術(shù)所需的高性能和低功耗的特性。

除優(yōu)異的電學(xué)性能外，石墨烯和碳納米管的光學(xué)、力學(xué)性能也使其適用于柔性電子器件的制造。其中，石墨烯具有輕薄、透明等特性；碳納米管具有柔韌性好、耐彎曲和疲勞強度高的特性。

碳基半導(dǎo)體材料有望在實際中滿足多種柔性電子器件的應(yīng)用場景：柔性應(yīng)變/壓力傳感器，該類傳感器通常由導(dǎo)電傳感元件與彈性聚合物或其他柔性/可拉伸基材（如纖維、紗線和紡織品）耦合組成，可通過應(yīng)變/壓力刺激引起的導(dǎo)電元件間接觸電阻的變化，檢測材料應(yīng)變或外界壓力；可穿戴器件，由于柔性電子器件具有很高的柔性和延展性，可與人體的外形特性和運動特性相匹配，并完成傳感、顯示等功能，應(yīng)用于消費電子、醫(yī)療保健等行業(yè)，柔性能源系統(tǒng)，該類系統(tǒng)的定義為柔性甚至可伸縮的能源裝置，包括超級電容器、電化學(xué)電池（例如鋰電池、鈉電池和金屬空氣電池）、光伏裝置和發(fā)電機等；透明導(dǎo)電薄膜類應(yīng)用，該類應(yīng)用包括柔性觸摸板、柔性有機發(fā)光二極管（OLED）和柔性有機太陽能電池等。

但是到目前為止，利用碳基材料所構(gòu)建的柔性電子器件在性能和集成度上與剛性襯底上的結(jié)果仍然具有很大的差距，沒有完全發(fā)揮出材料自身的優(yōu)異特性，當(dāng)然，值得肯定的是，以碳納米管為代表的碳基半導(dǎo)體經(jīng)過長期積累在近年來取得諸多進展，技術(shù)成熟度和產(chǎn)業(yè)化都迎來曙光，但技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)完善不是一蹴而就的。碳基半導(dǎo)體和硅基半導(dǎo)體材料在性能和成本等不同角度擁有各自的優(yōu)勢。因此，碳基納米材料在高性能、低功耗柔性電子技術(shù)上的應(yīng)用具有很大的提升空間。

華南理工大學(xué)已成功制備柔性碳?xì)饽z

超輕、高壓縮性和超彈性的碳材料在可穿戴和柔性電子器件中有很大的應(yīng)用前景，但由于碳材料的脆性，其制備仍然是一個挑戰(zhàn)。華南理工大學(xué)劉傳富教授團隊在《CHEMNANOMAT》期刊發(fā)表名為“Enhancing the Mechanical Performance of Reduced Graphene Oxide Aerogel with Cellulose Nanofibers”的論文，研究通過增強纖維素納米纖維 (CNF) 的氧化石墨烯 (GO) 液晶穩(wěn)定氣泡成功制備了超低密度、高機械性能的碳?xì)饽z。

還原氧化石墨烯（rGO）納米片中引入CNF后，通過焊接效應(yīng)增強了rGO納米片之間的相互作用，限制了rGO納米片的滑移和微球之間的剝離，從而顯著提高了材料的力學(xué)性能。所制備的碳?xì)饽z具有超高的壓縮性（高達(dá)99%的應(yīng)變）和彈性（在50%應(yīng)變下10000次循環(huán)后90.1%的應(yīng)力保持率和99.0%的高度保持率），通過各種方法制備的碳?xì)饽z均優(yōu)于現(xiàn)有的氣泡模板碳?xì)饽z和許多其它碳材料。這種結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致了快速穩(wěn)定的電流響應(yīng)和對外部應(yīng)變和壓力的高靈敏度，使碳?xì)饽z能夠檢測非常小的壓力和從手指彎曲到脈搏的各種人體運動。這些優(yōu)點使得碳?xì)饽z在柔性電子器件中具有廣闊的應(yīng)用前景。