少層石墨雙炔薄膜的液相范德華外延生長法

李玉良

中國科學院化學研究所，北京分子科學國家研究中心，中國科學院有機固體重點實驗室，北京 100190

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1，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)完全不同的電子結構和骨架結構，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)2為具有潛力的納米電子學材料，其帶隙為 0.44-1.47 eV，同時在室溫下可以保持 104-105cm2·V-1·s-1的高載流子遷移率3。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、光電和氣體分離等領域展現出巨大的應用前景4-8。

單層或少層 GDY薄膜的控制合成是獲取其本征結構和物性的前提，也是石墨炔材料發展的核心問題。自GDY被發現以來9，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GDY薄膜的質量，但其合成過程中的關鍵科學問題仍需解決：如何滿足基底表面與石墨炔的晶格匹配；如何控制六乙炔基苯分子在基底表面均勻分散和成核等。

針對以上問題，北京大學張錦教授課題組、劉忠范教授課題組提出了以石墨烯為模板的少層GDY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 mmol·L-1)，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GDY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GDY薄膜為ABC堆垛的三層結構。電子衍射顯示GDY/石墨烯薄膜具有兩套單晶衍射點，分別對應于GDY和石墨烯的單晶衍射圖案，結果表明生長在石墨烯上的GDY與下層石墨烯的晶格取向夾角為14°。

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

這一工作為 GDY結構的穩定存在提供了強有力的證據，同時為 GDY的基本性質研究以及GDY薄膜的應用探索提供了合成基礎。工作成果發表在Science Advances上10。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。該工作是與沙特阿卜杜拉國王大學韓宇教授課題組合作完成。