新型低維碳材料的探索與制備是納米碳材料領域的重要挑戰。石墨炔（Graphyne）是一種二維（2D）碳的同素異形體材料，由sp和sp2兩種雜化態的碳原子共同構成，在二維平面內具有均一分布的孔洞結構，因此具有與富勒烯（0D），碳納米管（1D）和石墨烯（2D）完全不同的骨架結構，同時，炔鍵的存在也賦予了石墨炔與僅由sp2碳原子構成的碳材料不同的物理和化學性質。例如，科學家們預測石墨雙炔（Graphdiyne, GDY）為具有潛力的納米電子學材料，其帶隙為0.44 eV - 1.47 eV，同時在室溫下可以保持104-105 cm2 V-1s-1的高載流子遷移率。此外，大的π-共軛體系和有序多孔的拓撲結構，使其在催化、能源和氣體分離等領域展現出巨大的應用前景。

    單層或少層石墨雙炔薄膜的控制合成是獲取其本征結構和物性的前提，也是石墨雙炔材料發展的核心問題。自從2010年中科院化學所的李玉良院士團隊利用濕法化學的方法首次合成石墨雙炔薄膜（厚度約為1 μm）以來，人們相繼發展了一系列基于濕法化學的方法，嘗試進一步提高石墨雙炔薄膜的質量，但其合成過程中的關鍵科學問題仍函待解決：如何抑制單體中連接苯環和炔鍵的單鍵的自由旋轉；如何滿足基底表面與石墨炔的晶格匹配；如何控制單體分子在基底表面的聚集和成核。

    圖一：石墨烯上少層石墨雙炔薄膜的合成過程及相應的表征結果，薄膜厚度為1.74 nm（包含單層石墨烯的厚度）

    針對以上問題，北京大學張錦課題組、劉忠范課題組提出了以石墨烯為模板的少層石墨雙炔薄膜的液相范德華外延生長法。以原子級平整的二維石墨烯為基底，采用極低的單體濃度（0.04 mM），在室溫下進行偶聯反應，通過溶液相范德華外延的方法，成功制備得到了大面積均勻連續的高質量、少層石墨雙炔薄膜，高分辨透射電鏡和光譜表征證實了其高質量單晶結構。結合理論分析，確認了該石墨雙炔薄膜為ABC堆垛的三層結構。電子衍射顯示石墨雙炔/石墨烯薄膜具有兩套單晶衍射點，分別對應于石墨雙炔和石墨烯的單晶衍射圖案，結果表明生長在石墨烯上的石墨雙炔與下層石墨烯的晶格取向夾角為14°。

    圖二：石墨烯上少層石墨雙炔薄膜的高分辨透射電鏡表征結果，結合理論模擬，確認了該石墨雙炔薄膜為ABC堆垛的三層結構

    石墨烯上范德華外延生長石墨雙炔薄膜的方法可以被擴展到其他二維材料基底。為了研究石墨雙炔薄膜的電學性質，他們在六方氮化硼基底上進行了石墨雙炔薄膜的合成嘗試，并對得到的少層石墨雙炔薄膜的電學性質進行了初步測定。實驗結果表明，石墨雙炔薄膜具有良好的導電性（計算其電導率為3180 S m-1），并表現出一定的半導體性質。

    這一工作為石墨雙炔結構的穩定存在提供了強有力的證據，同時為石墨雙炔的基本性質研究以及石墨雙炔薄膜的應用探索提供了合成基礎。工作成果發表在Sci. Adv. , 2018, 4, eaat6378。工作受到了國家自然科學基金委、科技部國家重點研發計劃、北京市科學技術委員會等資助項目的經費支持。

    原文鏈接：

    http://advances.sciencemag.org/content/4/7/eaat6378?rss=1

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責任編輯：殷鵬飛

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