郑健课题组Nature新成果：发现碳家族单晶新材料

碳是元素周期表中最多样化的元素之一，碳原子具有极轻的原子质量和极强的共价键，以多种杂化方式成键获得结构丰富的碳网络，其独特的π电子共轭体系展现出优异的力、热、光、电等属性。通过调节碳材料的带隙，可以使其表现出迥异的电学性质，从而在晶体管、能源存储器件、超导等领域具有广泛应用。碳材料的性能与其拓扑结构密切相关，因此，研究新的二维碳同素异形体，特别是具有带隙的新型结构，具有重要意义。

在科技部、国家自然科学基金委、北京分子科学国家研究中心和中国科学院的支持下，郑健课题组在常压下通过简单的反应条件，创制了一种新型碳同素异形体单晶——单层聚合C₆₀。这是一种全新的簇聚二维超结构，C₆₀簇笼在平面上通过C-C键相互共价键合形成规则的拓扑结构。这种新型碳材料具有较高的结晶度和良好的热力学稳定性，并具有适度的禁带宽度，为碳材料的研究提供了全新的思路。  

迄今为止构筑二维材料的最小单元是单个原子，纳米团簇作为基本单元构筑更高级的二维拓扑结构一直未能实现。由于碳碳成键的反应收率不是100%，且反应不可逆，因此采用传统化学反应制备二维团簇碳材料单晶几乎无法完成。

郑健课题组利用掺杂聚合-剥离两步法，成功制备了单层二维聚合C₆₀单晶，获得了确凿的价键结构。通过调节镁（Mg）和C₆₀的比例，在常压条件下制得了两种紧密排列的准六方相和准四方相的Mg插层聚合物单晶，通过新的有机阳离子切片策略，使用四丁基水杨酸铵作为切割试剂，从准六方相结构中剥离得到单层C₆₀聚合物。单晶XRD和STEM证明了C₆₀之间通过C-C桥连单键和[2+2]环加成的四元环桥连键在平面内连接形成了一种全新的二维拓扑超结构。单层聚合C₆₀的带隙约为1.6 eV，是典型的半导体，预示着其在光/电半导体器件中具有广阔的潜在应用。该结构具有良好的热力学稳定性，在约600 K（326.85℃）下仍旧稳定存在。由于不对称成键结构，这种新的碳材料具有显著的平面各向异性，表明该材料在非线性光学和功能化电子器件方面具有巨大应用前景。

相关研究成果发表在Nature（https://www.nature.com/articles/s41586-022-04771-5）上。侯凌翔博士为论文第一作者，郑健研究员为通讯作者。 

图a：准六方聚合C60的单晶结构示意图。每个C60与周围6个C60通过C-C共价键相连。

图b：单层聚合C60的STEM图片，C60笼簇在STEM图片中显示为圆环。