含有平面五配位碳的二维材料

杨金龙

（中国科学技术大学化学与材料科学学院，合肥微尺度物质科学国家实验室，合肥230026）

含有平面五配位碳的二维材料

杨金龙

（中国科学技术大学化学与材料科学学院，合肥微尺度物质科学国家实验室，合肥230026）

碳（C）作为一种常见而又重要的元素，可以灵活的采取四面体sp3、平面sp2或者直线sp的杂化方式同自身或者其他元素形成化学键，进而形成具有不同几何结构的分子和材料。除了这三种常见的杂化成键方式，1970年著名的化学家Hoffmann提出C还可以采取平面四配位的成键方式1，即C和四个原子相连并处于同一个平面上。Hoffmann同时提出可以利用σ电子给体或者π电子受体来稳定平面四配位C。在这一策略的启发下，理论化学家们设计出很多含有平面四配位C的分子，其中有些已经在实验上被合成出来。除了平面四配位，Schleyer等人2，3通过量子力学计算发现在一些分子中C还可以采取平面五配位甚至平面六配位的成键方式。这些发现引领了平面C的研究热潮。

材料的性质和它的结构有着很紧密的关系。因此，如果能把这些反常规的平面C成键方式引入到材料当中去，设计一些具有特殊几何结构的新材料，有望带来一些独特的性质。在这一思路的指引和石墨烯等二维材料研究热潮的启发下，最近南京师范大学李亚飞课题组和美国波多黎各大学陈中方教授4合作，通过密度泛函理论计算设计出一种新颖的无机二维材料：Be5C2。在Be5C2单层材料中，每个C原子和周围的5个铍（Be）原子相连形成化学键，并且这5个C―Be键处于近似同一个平面上，因此Be5C2单层材料中每个C原子都是近似的平面五配位C。通过使用适应性自然密度划分（ssAdNDP）方法对Be5C2单层材料的化学成键进行分析，表明它是一个全部由多中心离域键构成的二维体系。Be5C2单层材料具有很高的热力学和动力学稳定性。全局结构搜索计算表明这种含有平面五配位C的Be5C2单层材料在二维空间里是能量最低结构，非常有望在实验上合成出来。Be5C2单层材料的价带顶和导带底在费米能级处相交，因此它是一种没有带隙的准金属材料。另外，Be5C2单层材料具有独特的负泊松比，即它可以在两个方向上同时被拉伸或压缩。

该工作最近发表于Nature Communications。Be5C2单层材料是首个含有平面五配位C的二维材料，它的成功设计进一步丰富了我们对于化学键的认识。同时，Be5C2单层材料具有非常优异的性质，如果能够在实验上合成出来，将会在电子学和力学器件领域有着光明的应用前景。

References

（1）Hoffmann，R.；Alder，R.W.；Wilcox，C.F.，Jr.J.Am.Chem. Soc.1970，92，4992.doi:10.1021/ja00719a044

（2）Wang，Z.X.；Schleyer，P.v.R.Science 2001，292，2465.doi: 10.1126/science.1060000

（3）Exner，K.；Schleyer，P.v.R.Science 2000，290，1937.doi: 10.1126/science.290.5498.1937

（4）Wang，Y.；Li，F.；Li，Y.F.；Chen，Z.F.Nat.Commun.2016，7，11488.doi:10.1038/ncomms11488

［Highlight］10.3866/PKU.WHXB201605161www.whxb.pku.edu.cn