研究背景
在各个领域碳材料都有着广泛的应用，例如在电子、光电子和材料科学领域。其中，石墨烯作为碳材料大家族中的重要成员，由于其独特的电子性质和优异的力学性能，在诸多应用中需求量最大。然而，尽管石墨烯具有许多优势，但在某些方面存在着一些限制，例如其天然形态的半金属特性使其无法直接用作半导体，这限制了其在电子器件中的应用。此外，石墨烯在特定条件下易受氧化、机械损伤等因素的影响，从而降低了其稳定性和可靠性。
研究内容
鉴于此，麦吉尔大学化学系Dmytro F. Perepichka & Rustam Z. Khaliullin教授团队联合在Nature communications发题为“Prediction of highly stable 2D carbon allotropes based on azulenoid kekulene”研究成果。针对当前石墨烯技术存在的不足，结合国内外行业发展状况，本文提出了一种新的解决方案，即通过在石墨烯结构中引入吲哚蓝结构单元来改变其电子性质，从而创造出具有更多潜在应用的新型碳纳米材料。结果表明，这种新型碳纳米材料具有良好的稳定性和优异的电子性能，为碳材料在电子和光电子应用领域的进一步发展提供了新的思路和方向。
图文导读
本文旨在寻找稳定的二维碳异构体，并探索其在电子和光电子应用中的潜在作用。为了实现这一目标，研究者进行了密度泛函理论计算，并提出了一种将吲哚并蒂花苯（AK）融入石墨烯的新型方法。研究结果表明，在适当的相对位置上引入AK单元可以打开0.54电子价带隙，并产生0.80电子似带隙，这在2D碳异构体中是罕见的。为了验证这一发现，研究者展示了通过合成的AKC和PAK材料的结构，并分析了它们的电子带结构和有效载流子质量。结果显示，这些材料在多个带隙范围内表现出半导体特性，具有轻型载流子，这对于光电子器件具有潜在的重要意义。此外，研究者还展示了将这些材料与硼氮化物衍生物相比较，表明它们在带隙调控和载流子特性方面的优势。最后，通过绘制PBE凸包图，研究者说明了这些材料的稳定性。相关图文如下：
图 1 | 2D 吲哚并蒂花苯碳（AKC）。a 吲哚并蒂花苯（AK）分子叠加在石墨烯晶格上。b–d AKC 半导体，按照PBE能量递增顺序排列，e–h AKC 半金属和金属，按照PBE能量递增顺序排列。在图（b）–（h）中，材料使用方程（1）中的AKC-[n,m]命名法标记。能量以每个石墨烯原子上方的eV/原子显示在右下角。在所有面板中，五边形和七边形分别用红色和蓝色显示。AK单元内的花环单元以灰色显示，而石墨矩阵以白色显示。石墨矩阵的晶格矢量由黑色箭头表示，而材料的晶胞显示为绿色。
图 2 | 吲哚并蒂花苯碳（AKC）及其对应的多孔吲哚并蒂花苯（PAK）和多孔石墨烯（PG）。（a）AKC-[3,3]，（b）PAK-[3,3]和（c）PG-[3,3]材料的PBE优化结构。五边形和七边形分别用红色和蓝色显示。AK单元内的花环单元以灰色显示，而石墨矩阵以白色显示。d–f 三种材料的相应HSE电子能带结构图。在能带结构图（d–f）中，蓝线和橙线分别表示价带和导带。在AKC-[3,3]的能带结构图（d）中，圆圈标记轨道图的位置：g价带，h费米能级上方的导带，i第二能隙上方的导带。在（g）–（i）中，黄色和蓝色分别显示Γ点处真实电子波函数的正区域和负区域。电子波函数的等值面值为3 × 10-5。
图 3 | PBE凸包图。a 吲哚并蒂花苯碳（AKC），多孔吲哚并蒂花苯（PAK）和多孔石墨烯（PG）在由氢碳化物CxH1-x定义的PBE凸包图上，该凸包图由氢分子晶体、固态甲烷和六方石墨组成。b 凸包图的放大区域显示AKC和PAK材料。
图 4 | 带隙和有效载流子质量。对于半导体吲哚并蒂花苯碳（AKC），多孔吲哚并蒂花苯（PAK）和多孔石墨烯（PG），显示电子（实心形状）和空穴（带有负号，空心形状）的有效质量。请注意，有效质量x轴是一个线性对数刻度：在[ -0.1,0.1]区间内是线性的，在此区间之外是对数的。
图 5 | 吲哚并蒂花苯的氮化硼（BN）衍生材料。（a）BN-AKC-[3,3]，（b）BN-PAK-[3,3]和（c）BN-PG-[3,3]材料的结构。五边形和七边形分别用红色和蓝色显示。AK单元内的花环单元以灰色显示，而石墨矩阵以白色显示。d–f 相应的HSE能带结构图。硼和氮原子分别用绿色和紫色圆圈表示。
图 6 | AKC-[3,3]和PAK-[3,3]的合成路线示意图。合成从卤代AK单体的乌尔曼偶联开始，然后进行脱氢反应。五边形和七边形分别用红色和蓝色显示。每个灰色区域内的六个碳原子存在于AKC-[3,3]中。在PAK-[3,3]中，这些碳原子被氢原子取代。
结论展望
本文通过将吲哚蓝衍生物引入石墨烯晶格中，成功地设计出了一系列稳定的二维碳材料，这些材料具有多样的电子性质，包括半导体、Dirac锥半金属和金属特性。特别地，研究人员发现，通过适当放置吲哚蓝单元，可以在材料中生成次能隙，这在二维碳材料中是罕见的现象。这一发现为二维材料在光电子应用中的应用提供了新的可能性。此外，本研究还展示了通过调整碳材料的结构，例如引入杂质、掺杂、钝化和应变等手段，可以进一步调节材料的性质。这为研究人员提供了一种新的方法，通过工程化设计稳定的多带隙半导体，从而扩展了碳纳米材料在电子和光电子应用中的潜在应用范围。
该工作发表在Nature communications上文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-46279-8
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