Не графен: бифениленовая решётка — новый однослойный углеродный материал

Физики получили новую разновидность сверхтонкой проводящей углеродной плёнки. Это плоская решётка из бифенилена толщиной в один атомный слой, подобная графену, но составленная из четырёх-, шести- и восьмиатомных углеродных колец. В отличие от графена, который в структурах сопоставимого размера является полупроводником, новый аллотроп углерода проявляет металлические свойства.

Наиболее известные аллотропы углерода: a) алмаз; b) графит, c) лонсдейлит, d) — f) фуллерены: d) C60, e) C540, f) C70, g) аморфный углерод, h) углеродная одностенная нанотрубка (бакитрубка).

Аллотропами называют различные формы, в которых могут существовать некоторые химические элементы. Самый известный пример — алмаз как разновидность углерода, которая образуется при высоких давлениях в глубине Земли. Кроме алмаза, углерод имеет ещё несколько аллотропов. В последнее время внимание привлекают плоские углеродные решётки толщиной в один или два атомных слоя, в частности, графен. Графен образует двумерные углеродные структуры, но возможны и другие конфигурации, в которые могут складываться атомы C. Физикам из университетов Марбурга в Германии и Аалто в Финляндии удалось синтезировать плоскую ультратонкую углеродную решётку со структурой бифенилена — модификации полициклического ароматического углеводородного соединения, состоящего из углеродных кольцевых структур. Сообщение о новом углеродном материале появилось в мае 2021 года в статье в Science. Обычные полициклические углеводороды имеют в составе несколько бензольных колец — углеродных шестигранников; известное в быту вещество этого класса — нафталин. В полифениленах бензольные кольца объединяются друг с другом при помощи нескольких связей, образовывая многогранники с различным количеством элементов.

Структура химических связей в полимеризованном бифениленовом слое.

Механизм sp2-гибридизации удалось реализовать для получения новой двумерной углеродной структуры, состоящей из четырёх-, шести- и восьмичастичных колец вместо «стандартных» бензольных шестиугольников, которые обычно и образуются в плоских аллотропах углерода вроде графена. Адсорбированные на золотой подложке галогенизированные терфенильные молекулы проходят две стадии полимеризации. На первом шаге образуются цепочки из бензольных шестиугольников (точнее, получаются полицепи 2,5-дифтор-пара-фенилена). На следующем этапе они соединяются между собой при помощи реакции дегидрофторирования, образуя «на стыках» четырёхугольники и восьмиугольники углеродных атомов. Важное свойство новых структур — их хиральность, то есть они могут формироваться в «правой» и «левой» модификации. На золотой подложке соединяться между собой могут только цепочки одного типа, таким образом получаются высокоорганизованные структуры с хорошей упорядоченностью.

Стратегия «упаковки» углеродных колец в макроскопическую распределённую структуру путём дегидрофторирования может использоваться для получения и других негексагональных аллотропов углерода. До получения материала экспериментально теоретики расходились во мнениях о том, будет ли решётка бифенилена металлом или диэлектриком. Так, обычный графен формально относится к полупроводникам, хотя в разных условиях и обладает нетривиальными электрическими свойствами. Структуру и электропроводность нового материала исследовали при помощи микроскопии высокого разрешения и компьютерного моделирования. Сканирующая туннельная спектроскопия позволила установить, что новый аллотроп углерода проводит ток даже в конфигурации узкой полоски шириной 21 атом — графеновая полоска такой ширины заведомо будет полупроводником. В будущем эта разновидность одноатомной углеродной плёнки может стать материалом проводящих контактов в углеродных микросхемах — системах, использующих углеродные нанотрубки и графеновые транзисторы.

Бифениленовая решётка. Вверху — схема соединения атомов углерода с образованием четырёх-, шести- и восьмиугольных ячеек. Внизу — изображение решётки при помощи методов микроскопии высокого разрешения. Univ. of Marburg / Aalto Univ.

Источник: 22century.ru

Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.

Оставить комментарий

Вы должны быть авторизованы, чтобы разместить комментарий.