物理所三維碳烯結(jié)構(gòu)研究始終未取得滿意的進(jìn)展

【摘要】最近，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）王建濤研究員及其合作者北京大學(xué)王恩哥教授、美國(guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)陳長(zhǎng)風(fēng)教授以及日本東北大學(xué)川添良幸教授通過(guò)第一性原理計(jì)算系統(tǒng)地研究了一維碳炔鏈在不同的折疊方式下形成碳烯晶體的機(jī)制，提出了新的由三折、四折和六折螺旋碳鏈構(gòu)成的三維碳烯晶體結(jié)構(gòu)模型。

典型碳?xì)浠衔锖吞季w結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。乙炔(HC≡CH)對(duì)應(yīng)于碳炔鏈；乙烯（H2C=CH2）、丁二烯（H2C=CH-HC=CH2）對(duì)應(yīng)于碳炔晶體結(jié)構(gòu)；甲烷（CH4）、乙烷（H3C-CH3）對(duì)應(yīng)于金剛石；苯對(duì)應(yīng)于石墨烯。

    碳元素是自然界中最為廣泛分布存在的元素之一。了解碳原子之間的基本化學(xué)鍵構(gòu)型是我們?cè)O(shè)計(jì)和研究碳晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。從簡(jiǎn)單碳?xì)浠衔镏形覀兛梢缘玫剿姆N基本碳碳鍵構(gòu)型：乙烷（H3C-CH3）碳碳單鍵，乙烯（H2C=CH2）碳碳雙鍵，乙炔(HC≡CH)碳碳三鍵以及苯環(huán)大π鍵結(jié)構(gòu)。單質(zhì)碳通常以石墨和金剛石兩種晶型存在。苯基大π鍵結(jié)合構(gòu)成穩(wěn)定的兩維石墨烯，烷基碳碳結(jié)合形成穩(wěn)定的三維金剛石，炔基碳碳結(jié)合形成碳原子鏈。近年來(lái)，零維C60富勒烯球、一維碳納米管以及一維碳炔鏈的發(fā)現(xiàn)和合成更加激發(fā)了人們探索新的碳結(jié)構(gòu)的興趣。另一方面有關(guān)三維碳烯結(jié)構(gòu)的研究始終未取得滿意的進(jìn)展，盡管人們先后提出了類(lèi)SrSi2和ThSi2三維碳烯結(jié)構(gòu)，但是均因結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性而被備受質(zhì)疑。

三重折疊（a）和四重折疊（b）三維螺旋碳烯結(jié)構(gòu)。S和R分別表示左手性和右手性碳螺旋。三重折疊和四重折疊碳烯晶體結(jié)構(gòu)也可以看做是環(huán)辛二烯（1,5-cyclooctadiene，C8H12）和環(huán)辛四烯（1,3,5,7-cyclooctatetraene，C8H8）的聚合物，分別具有R-3m和I41/amd對(duì)稱(chēng)性。

六重折疊三維螺旋碳烯結(jié)構(gòu)（a，b）。R和6分別表示右手性（或左手性）碳螺旋鏈和苯環(huán)。六重折疊碳烯具有R-3m對(duì)稱(chēng)性，也可以看做是苯（C6H6）的聚合物或扭曲的三維石墨構(gòu)型（c）。

　　壓力作用下通過(guò)二維層狀石墨烯的褶皺和層間重構(gòu)可以形成三維金剛石結(jié)構(gòu)，同樣通過(guò)一維碳炔鏈的折疊和重構(gòu)可以形成三維碳烯。最近，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）王建濤研究員及其合作者北京大學(xué)王恩哥教授、美國(guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)陳長(zhǎng)風(fēng)教授以及日本東北大學(xué)川添良幸教授通過(guò)第一性原理計(jì)算系統(tǒng)地研究了一維碳炔鏈在不同的折疊方式下形成碳烯晶體的機(jī)制，提出了新的由三折、四折和六折螺旋碳鏈構(gòu)成的三維碳烯晶體結(jié)構(gòu)模型。其中三重折疊和四重折疊三維晶體結(jié)構(gòu)由反向手性碳鏈組成，六重折疊三維晶體結(jié)構(gòu)由單一手性碳鏈組成，分別具有R-3m，I41/amd和R-3m對(duì)稱(chēng)性。這些三折、四折和六折螺旋碳烯晶體結(jié)構(gòu)也可以看做是環(huán)辛二烯（1,5-cyclooctadiene,C8H12），環(huán)辛四烯（1,3,5,7-cyclooctatetraene,C8H8）以及苯（C6H6）的聚合物。聲子譜和能帶計(jì)算表明這些螺旋碳烯晶體結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并呈現(xiàn)半導(dǎo)體特性。三折、四折和六折碳烯的帶隙分別為2.95 eV，2.41 eV和0.47 eV。通過(guò)和以往報(bào)道的X-線衍射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的詳細(xì)比對(duì)分析發(fā)現(xiàn)六重折疊三維螺旋碳烯晶體結(jié)構(gòu)可能存在于爆炸形成的炭灰殘留物中，在30度附近存在一個(gè)顯著的衍射峰。三維螺旋碳烯晶體結(jié)構(gòu)的提出，形成了一個(gè)從零維的富勒烯球、一維的碳納米管、二維的石墨烯以及三維的螺旋碳烯的完整的碳烯結(jié)構(gòu)系列。這些結(jié)果對(duì)全面理解碳晶體構(gòu)型及有關(guān)物性具有廣泛的科學(xué)意義。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2013年10月29日和2014年3月11日出版的Scientific Reports 3,3077 (2013)和Scientific Reports 4,4339 (2014)上。

    該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。