陈广超、苏刚研究团队成功制备碳的新结构T-Carbon

  • 材料科学与光电技术学院 (材料科学与光电技术学院)
  • 创建于 2019-12-02
  • 752

  碳是地球上组成生命和物质的最基本元素之一,可以与其他元素结合形成不计其数的化合物,引致了现在丰富多彩的世界。在自然界,碳一般有三种常见的同素异构体,即石墨、金刚石和无定形碳,对现代物质文明具有重要作用。自上世纪80年代以来,科学家对合成碳的新结构产生了浓厚兴趣,包括碳富勒烯(Kroto等人于1985年合成,1996获得诺贝尔化学奖)、碳纳米管(Iijima于1991年合成,2008年获得Kavli纳米科学奖)、石墨烯(Novoselov和Geim于2004年得到,2010年获得诺贝尔物理奖)和石墨二炔(中科院化学所李玉良等人于2010年得到,引起广泛关注和大量研究)。这些碳的低维新结构在化学、物理、材料和信息科学等相关领域产生了巨大影响,也导致了工业和技术上的大量应用。

  2011年,中国科学院大学(以下简称“国科大”)苏刚教授研究团队通过理论设计和计算预言了一种新的三维碳结构,命名为T-Carbon(T-碳),其晶体结构是以碳四面体取代立方金刚石中的每个原子而形成的,具有sp3杂化化学键,是直接带隙的半导体,在清洁能源、光催化、超导、吸附、航空航天、宇宙尘埃等领域具有潜在的重要应用。2017年,西安交大和新加坡南洋理工大学的联合研究团队通过皮秒激光照射悬浮在甲醇溶液中的多壁碳纳米管,在极端偏离热力学平衡态的条件下,实现了从sp2到sp3化学键的转变,成功合成了T-Carbon结构。

  2019年10月13日,国科大材料科学与光电技术学院陈广超教授研究组与苏刚教授研究组合作,利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法,经过几年的探索,分别在多晶金刚石和单晶金刚石衬底上成功制备出了T-Carbon(图1)。他们通过x射线衍射谱、拉曼谱、红外谱等多种表征手段,发现两种不同衬底上制备的样品,其实验结果几乎一致,均与T-Carbon的计算结果符合的很好。这项研究结果表明,宏量制备新型碳结构T-Carbon已经成为可能,开启了T-Carbon大范围研究的新阶段,有关工作正在进行之中。该项研究发表在Carbon 157(2020)270-276期刊(影响因子7.466)上,链接:https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.10.032

图1 等离子增强的化学气相沉积法成功制备出T-Carbon

  2014年,陈广超教授课题组采用PECVD技术,使用国科大自主知识产权的国产设备,就开始了T-Carbon制备的实验探索,经过大量的摸索研究,终于在2015年和2018年分别合成了T-Carbon结构,并于2019年完成了相关表征工作。该研究工作所使用的PECVD设备是基于我国当下机电工业水平的“中国制造”,使T-carbon成为“中国预言、中国实证、中国制造”的新型碳材料,为碳家族增添新成员(图2)。

  上述研究工作得到中科院科研装备项目、科技部重点研发计划、中科院先导专项等的支持。


图2 碳元素的同素异构体

 

责任编辑:余玉婷