Наноматериал "дырчатый графин" и его синтез
Алмаз и графит — это два встречающихся в природе аллотропа углерода, о которых мы знаем уже тысячи лет. Они представляют собой элементарные атомы углерода, которые расположены таким образом, что состоят из sp3 и sp2 гибридизованных атомов углерода соответственно. Совсем недавно открытие различных других углеродных аллотропных материалов, таких как графен, фуллерен, углеродные нанотрубки, графин и графдиин, произвело революцию в современной науке о наноматериалах. В частности, исследования графена добились значительных успехов в современной химии и физике из-за его удивительных свойств.
Дырявый графен, полученный с использованием обычного нисходящего подхода. Размер и распределение образовавшихся отверстий неравномерны. Предоставлено: Институт фундаментальных наук.
Графен рекламируется как чудо-материал, который потенциально может произвести революцию в полупроводниковой промышленности благодаря своим исключительным свойствам подвижности электронов. Несмотря на шумиху, похоже, что наша цивилизация все еще далека от перехода из эпохи кремния в эпоху графена . Основной проблемой использования графена в электронике является электронная структура графена с нулевой запрещенной зоной. Это делает невозможным отключение транзисторов на основе графена, что ограничивает их применение в полупроводниковой промышленности. Хотя это ограничение можно преодолеть путем легирования или функционализации графена, также существует большой интерес к поиску новых типов двумерных аллотропов углерода, которые обладают исключительными полупроводниковыми свойствами, такими как правильная ширина запрещенной зоны и высокая подвижность.
Недавно исследователи обнаружили, что многие характеристики, подходящие для полупроводника, можно наделить графеном или оксидами графена, создав множество отверстий в его структуре. Этот новый тип материала называется «дырявый графен». По сравнению с графеном, γ-графином или графдиином дырчатый графен не только обладает идеальными двумерными полупроводниковыми свойствами, но также имеет нелинейную sp-связь и особую π-сопряженную структуру, которая предлагает многообещающие применения в оптоэлектронике, сборе энергии, разделении газов, катализе, очистка воды, датчики и области, связанные с энергетикой.
До сих пор дырчатый графен производился в лабораториях, сначала синтезируя графен, а затем подвергая графен физической, химической или гидротермической обработке, чтобы пробить множество отверстий в структуре. Однако такой нисходящий подход к производству имеет свои ограничения, поскольку размер и распределение «дыр» неравномерны и их трудно контролировать.
Под руководством заместителя директора Ли Хёёна исследователи из Центра комплексной физики наноструктур (CINAP) Института фундаментальных наук Южной Кореи разработали восходящий подход к созданию такого материала. Впервые группа разработала метод построения топологически двумерного углеродного материала атом за атомом.
Холи графин (HGY), полученный с использованием восходящего синтеза. Молекулярная структура HGY в высокой степени соответствует чередующимся бензольным кольцам и связям C≡C, состоящим из шестивершинных и сильно напряженных восьмивершинных колец и равного процента sp2- и sp-гибридизированных атомов углерода. Предоставлено: Институт фундаментальных наук.
Группа назвала этот новый двумерный монокристаллический материал «дырчатым графином» (HGY). HGY состоит из поочередно связанных между собой бензольных колец и связей C≡C, состоящих из шестивершинных и сильно напряженных восьмивершинных колец и равного процента sp2 и sp гибридизованных атомов углерода.
«Мы были вдохновлены интригующей молекулой дибензоциклооктадиина, которая была впервые синтезирована Сондхеймером и его сотрудниками в 1974 году. В дибензоциклооктадиине два ароматических бензольных кольца соединены двумя изогнутыми ацетиленовыми связями, что приводит к сильно напряженному восьмичленному кольцу захватывающая молекула вдохновила нас на разработку и синтез новой углеродной аллотропной версии материала, а именно холи-графина», — сказал заместитель директора Ли.
Исследовательская группа успешно произвела ультратонкий монокристаллический HGY, используя 1,3,5-трибром-2,4,6-триэтинилбензол в качестве основного материала. Затем был синтезирован тонкий HGY с одним атомным слоем между границей раздела двух систем растворителей, состоящих из воды и дихлорметана. Новый HGY продемонстрировал прямую запрещенную зону около 1,1 эВ и отличную расчетную подвижность носителей, что делает его пригодным для использования в качестве полупроводникового материала.
Это новое открытие не только демонстрирует первый синтез ультратонкого монокристаллического HGY, но также представляет новую концепцию дизайна и синтеза такого нового типа двумерного аллотропа углерода. Есть надежда, что будущее применение HGY в полупроводниковой промышленности положит начало новому поколению электроники после кремниевого века.
Исследование опубликовано в Matter.
