Advanced Functional Materials:微波诱导温度梯度实现少层石墨炔薄膜的快速合成

碳是自然界中最具魅力的元素之一,与人类生存与生活息息相关。碳原子可以通过不同的杂化方式,形成结构各异、性质多样的碳同素异形体。富勒烯、碳纳米管和石墨烯等的相继发现极大的促进了纳米碳材料领域基础科学和应用研究的发展。同时,科学工作者们持续探索全新的碳同素异形体,石墨炔即是在这一背景下应运而生。作为一种新型二维碳材料,石墨炔具有特殊的结构及优异的物理化学性质,在电子、能源以及催化等领域都具有重要的应用前景。少层甚至单层石墨炔薄膜的可控合成是其本征物性研究及应用探索的前提,目前仍然面临巨大的挑战。

北京大学化学与分子工程学院张锦院士课题组利用微波诱导温度梯度的方法,在固液界面成功合成出少层石墨炔薄膜,厚度为1-2 nm。在常规的合成方法中,单体在温度较高的反应体系中难以保持稳定,而在温度低的反应体系中偶联反应的效率较低。因此,如何提高单体稳定性以及反应效率是合成高质量石墨炔薄膜的关键。为此,他们选择吸收微波的固体材料作为反应基底,利用不吸收微波的液相分散单体,通过微波诱导,使得固体被选择性加热到反应温度,而液相保持较低温度,形成温度梯度,从而单体可以在液相中保持稳定,并扩散到固液界面发生偶联反应。使用这种方法,他们成功制备了高质量的少层石墨炔薄膜,所得薄膜厚度为1-2 nm,在高分辨透射电子显微镜中观察到了石墨炔(110)面的高分辨图像。拉曼光谱、X射线光电子能谱等谱学表征确认了石墨炔的结构组成。利用获得的石墨炔薄膜,他们还制备了FET器件,测量得到常温下的迁移率为50.1 cm2·V-1·S-1,石墨炔呈现出p型半导体的特征。

研究者相信,此项研究将会为石墨炔薄膜的合成方法提供新的思路,该方法还可推广到其它二维材料的湿法化学合成。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202001396)上。