少层石墨双炔薄膜的液相范德华外延生长法

李玉良

中国科学院化学研究所，北京分子科学国家研究中心，中国科学院有机固体重点实验室，北京 100190

新型低维碳材料的探索与制备是纳米碳材料领域的重要挑战。石墨炔(Graphyne)是一种二维(2D)碳的同素异形体材料1，由sp和sp2两种杂化态的碳原子共同构成，在二维平面内具有均一分布的孔洞结构，因此具有与富勒烯(0D)，碳纳米管(1D)和石墨烯(2D)完全不同的电子结构和骨架结构，同时，炔键的存在也赋予了石墨炔与仅由sp2碳原子构成的碳材料不同的物理和化学性质。例如，科学家们预测石墨双炔(Graphdiyne，GDY)2为具有潜力的纳米电子学材料，其带隙为 0.44-1.47 eV，同时在室温下可以保持 104-105cm2·V-1·s-1的高载流子迁移率3。此外，大的 π-共轭体系和有序多孔的拓扑结构，使其在催化、能源、光电和气体分离等领域展现出巨大的应用前景4-8。

单层或少层 GDY薄膜的控制合成是获取其本征结构和物性的前提，也是石墨炔材料发展的核心问题。自GDY被发现以来9，人们相继发展了一系列基于湿法化学的方法，尝试进一步提高GDY薄膜的质量，但其合成过程中的关键科学问题仍需解决：如何满足基底表面与石墨炔的晶格匹配；如何控制六乙炔基苯分子在基底表面均匀分散和成核等。

针对以上问题，北京大学张锦教授课题组、刘忠范教授课题组提出了以石墨烯为模板的少层GDY薄膜的液相范德华外延生长法。以原子级平整的二维石墨烯为基底，采用极低的单体浓度(0.04 mmol·L-1)，在室温下进行偶联反应，通过溶液相范德华外延的方法，成功制备得到了大面积均匀连续的高质量、少层GDY薄膜，高分辨透射电镜和光谱表征证实了其高质量单晶结构。结合理论分析，确认了该GDY薄膜为ABC堆垛的三层结构。电子衍射显示GDY/石墨烯薄膜具有两套单晶衍射点，分别对应于GDY和石墨烯的单晶衍射图案，结果表明生长在石墨烯上的GDY与下层石墨烯的晶格取向夹角为14°。

石墨烯上范德华外延生长 GDY薄膜的方法可以被扩展到其他二维材料基底。为了研究GDY薄膜的电学性质，他们在六方氮化硼基底上进行了GDY薄膜的合成尝试，并对得到的少层GDY薄膜的电学性质进行了初步测定。实验结果表明，GDY薄膜具有良好的导电性(计算其电导率为3180 S·m-1)，并表现出半导体性质。

这一工作为 GDY结构的稳定存在提供了强有力的证据，同时为 GDY的基本性质研究以及GDY薄膜的应用探索提供了合成基础。工作成果发表在Science Advances上10。工作受到了国家自然科学基金委、科技部国家重点研发计划、北京市科学技术委员会等资助项目的经费支持。该工作是与沙特阿卜杜拉国王大学韩宇教授课题组合作完成。