Holey graphene produceras med en konventionell top-down-metod. Storleken och fördelningen av genererade hål är ojämn. Kredit:Institutet för grundvetenskap
Diamant och grafit är två naturligt förekommande kolallotroper som vi har känt till i tusentals år. De är elementära kol som är ordnade på ett sätt så att de består av sp 3 och sp 2 hybridiserade kolatomer. På senare tid har upptäckten av olika andra kolallotropa material, såsom grafen, fulleren, kolnanorör, grafyn och grafdiyn, revolutionerat modern nanomaterialvetenskap. I synnerhet har grafenforskning gjort betydande framsteg inom modern kemi och fysik på grund av dess fascinerande egenskaper.
Grafen har utpekats som ett undermaterial som potentiellt kan revolutionera halvledarindustrin, på grund av dess exceptionella elektronrörlighetsegenskaper. Trots hypen verkar det som om vår civilisation fortfarande är långt ifrån att övergå från kiselåldern till grafenåldern. Den största utmaningen med att använda grafen i elektronik är den elektroniska strukturen med noll bandgap hos grafen. Detta gör det omöjligt att stänga av grafenbaserade transistorer, vilket begränsar deras användning inom halvledarindustrin. Även om det är möjligt att övervinna denna begränsning genom att dopa eller funktionalisera grafenet, finns det också ett stort intresse för sökandet efter nya typer av 2D-kolallotroper som har exceptionella halvledande egenskaper, såsom ett ordentligt energibandgap och hög rörlighet.
Nyligen upptäckte forskare att det är möjligt att ge många egenskaper som är lämpliga för en halvledare till grafen eller grafenoxider genom att skapa många hål i dess struktur. Denna nya typ av material kallas "holey graphene". Jämfört med grafen, γ-grafyn eller graphdiyne, har holey graphene inte bara de idealiska 2D-halvledande egenskaperna utan har också olinjär sp-bindning och en speciell π-konjugerad struktur, som erbjuder lovande tillämpningar inom optoelektronisk, energiskörd, gasseparation, katalys, vattensanering, sensorer och energirelaterade områden.
Hittills har holey graphene producerats i laboratorier genom att först syntetisera grafen och sedan utsätta grafenen för fysisk, kemisk eller hydrotermisk behandling för att punktera många hål i strukturen. En sådan top-down-strategi för produktion har dock sina begränsningar eftersom storleken och fördelningen av "hålen" är ojämn och svår att kontrollera.
Under ledning av biträdande direktör Lee Hyoyoung utvecklade forskare från Center for Integrated Nanostructure Physics (CINAP) inom Institutet för grundläggande vetenskap, Sydkorea, en nedifrån-och-upp-metod för att skapa sådant material. För första gången utarbetade gruppen en metod för att konstruera topologiskt 2D kolmaterial atom för atom.
Holey graphyne (HGY) framställt med hjälp av bottom-up-syntes. Den molekylära strukturen hos HGY överensstämmer i hög grad med växelvis sammanlänkade bensenringar och C≡C-bindningar, bestående av sex-vertex- och starkt ansträngda åtta-vertex-ringar och en lika stor andel av sp2- och sp-hybridiserade kolatomer. Kredit:Institutet för grundvetenskap
Detta nya tvådimensionella enkristallina material kallades "holey-graphyne" (HGY) av gruppen. HGY består av växelvis länkade mellan bensenringar och C≡C-bindningar, bestående av ett mönster av sex-vertex- och högt spända åtta-vertex-ringar och en lika stor procentandel av sp 2 och sp-hybridiserade kolatomer.
"Vi inspirerades av en spännande molekyl, dibensocyklooktadiyn, som syntetiserades första gången av Sondheimer och medarbetare 1974. I dibensocyklooktadiyn är två aromatiska bensenringar förbundna med två böjda acetyleniska bindningar, vilket resulterar i en mycket ansträngd denna åttaledade ring. spännande molekyl inspirerade oss att designa och syntetisera den nya kolallotropen, versionen av materialet, nämligen holy-grafyn, säger Associate Director Lee.
Forskargruppen framställde framgångsrikt den ultratunna enkristallina HGY med 1,3,5-tribrom-2,4,6-trietynylbensen som basmaterial. Det enda atomära skiktet tunna HGY syntetiserades sedan mellan gränsytan mellan två lösningsmedelssystem bestående av vatten och diklormetan. Den nya HGY uppvisade ett direkt bandgap på cirka 1,1 eV och utmärkt mobilitet för beräknade bärare, vilket gör den lämplig som ett halvledarmaterial.
Denna nya upptäckt demonstrerar inte bara den första syntesen av den ultratunna enkristallina HGY utan introducerar också ett nytt koncept för design och syntes av en sådan ny typ av 2D-kolallotrop. Förhoppningen är att den framtida tillämpningen av HGY i halvledarindustrin kommer att bana vägen för en ny generation av elektronik bortom kiselåldern.
Forskningen publicerades i Matter . + Utforska vidare
