碳材料家族又添2位新成員：通過對(duì)兩種分子實(shí)施“麻醉”和“手術(shù)”，同濟(jì)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)首次成功合成了分別由10個(gè)或14個(gè)碳原子組成的環(huán)形純碳分子材料。

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

這項(xiàng)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(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)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(jì)了全鹵化萘（C10Cl8）和蒽（C14Cl10）兩種前驅(qū)體分子。團(tuán)隊(duì)將這兩種分子放在“手術(shù)臺(tái)上”（氯化鈉薄膜）并將其“麻醉”（液氦4.7 K凍?。?，而后利用STM針尖作為“手術(shù)刀”對(duì)其進(jìn)行“手術(shù)”（原子操縱），進(jìn)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?；瘜W(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(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過理論計(jì)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(gè)非常小的鍵長交替，從實(shí)驗(yàn)上也無法分辨出來。

許維教授表示，這項(xiàng)研究工作極大推動(dòng)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(shí)，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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、能源與石墨烯創(chuàng)新平臺(tái)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(tuán)隊(duì)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(jí)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(jí)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(xiàng)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(jìn)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(tuán)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(jìn)行宏量制備C50所合成的。

謝素原毫無保留地將實(shí)驗(yàn)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(duì)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?、換班，工作的辛苦不言而喻，同時(shí)也表現(xiàn)出了謝素課題組同學(xué)們之間非常好的團(tuán)隊(duì)合作精神。田寒蕊在漳州校區(qū)做實(shí)驗(yàn)，為保證高效率的溝通合作，往往需要搭乘輪渡，花費(fèi)一個(gè)多小時(shí)才能到達(dá)思明校區(qū)。

洪文晶實(shí)驗(yàn)室致力精密儀器研究，與謝素原富勒烯優(yōu)勢(shì)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?！靶ぷ谠蠢蠋煹牟牧希x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(xiàng)成果?！?/span>

碳材料促進(jìn)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(shí)代，石墨烯、碳基納米材料、有機(jī)高分子材料，以及激光與光通信、光存儲(chǔ)、光顯示等將成為其顯著特征?！疤蓟牧?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(chǔ)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(shí)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?yàn)榫哂懈叩谋菊鬟w移率、彈道輸運(yùn)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(jī)物半導(dǎo)體作為溝道材料構(gòu)建的器件具有加工工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)低，可以利用打印或者印刷的方式進(jìn)行制備的優(yōu)點(diǎn)，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(jì)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(chǎng)效應(yīng)晶體管器件比硅基鰭式場(chǎng)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(shì)，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(qiáng)度高的特性。

碳基半導(dǎo)體材料有望在實(shí)際中滿足多種柔性電子器件的應(yīng)用場(chǎng)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(cè)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(yùn)動(dòng)特性相匹配，并完成傳感、顯示等功能，應(yīng)用于消費(fèi)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(jí)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(jī)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(jī)發(fā)光二極管（OLED）和柔性有機(jī)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(jìn)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(shì)。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(gè)挑戰(zhàn)。華南理工大學(xué)劉傳富教授團(tuán)隊(duì)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(qiáng)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(jī)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(qiáng)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(duì)外部應(yīng)變和壓力的高靈敏度，使碳?xì)饽z能夠檢測(cè)非常小的壓力和從手指彎曲到脈搏的各種人體運(yùn)動(dòng)。這些優(yōu)點(diǎn)使得碳?xì)饽z在柔性電子器件中具有廣闊的應(yīng)用前景。