碳材料家族又添2位新成員：通過對兩種分子實施“麻醉”和“手術”，同濟大學科研團隊首次成功合成了分別由10個或14個碳原子組成的環形純碳分子材料。

北京時間11月30日，國際學術期刊《自然》在線發表了同濟大學材料科學與工程學院許維教授團隊的這一最新科研成果。

這項研究首次成功精準合成了兩種全新的碳分子材料（碳同素異形體），即芳香性環型碳C10和C14，并精細表征了它們的化學結構，這兩種合成的新穎碳結構有望應用于未來的分子電子學器件中。

在這項研究中，團隊采用了不同于C18的將環狀碳氧化合物作為前驅體的合成路線，創新性地設計了全鹵化萘（C10Cl8）和蒽（C14Cl10）兩種前驅體分子。團隊將這兩種分子放在“手術臺上”（氯化鈉薄膜）并將其“麻醉”（液氦4.7 K凍住），而后利用STM針尖作為“手術刀”對其進行“手術”（原子操縱），進而誘導兩種分子完全脫鹵并伴隨發生反伯格曼開環反應，最終成功地在表面上合成了兩種芳香性環型碳C10和C14。化學鍵分辨的原子力顯微鏡表明，不同于此前C18的聚炔型結構，C10和C14均具有累積烯烴型的結構。

團隊進一步通過理論計算發現，這2位碳材料家族的新成員并非擁有完全一致的特性，C10完全沒有鍵長交替，而C14作為從累積烯烴型C10到聚炔型C18的過渡態，存在一個非常小的鍵長交替，從實驗上也無法分辨出來。

許維教授表示，這項研究工作極大推動了環型碳領域的發展，提出的表面合成策略有望成為一種合成系列環型碳的普適性方法。同時，合成的環型碳有望發展成為新型半導體材料，并在分子電子器件中有著廣闊的應用前景。


世界首例全碳電子器件

2019年，廈門大學固體表面物理化學國家重點實驗室、能源與石墨烯創新平臺洪文晶教授、謝素原教授與英國蘭卡斯特大學柯林·蘭伯特院士團隊合作創造了世界首例具有原子精度的全碳電子器件！

將具有原子級規整結構和優異電學特性的富勒烯材料和石墨烯結合，發表在《自然·通訊》的科研成果，正是兩種碳材料美麗邂逅碰撞出的花火。全碳電子器件精度達到原子級別，相較傳統的、基于硅基半導體的微納電子器件，具有更快的速度和更低的功耗，將是一項最有希望替代現有硅基技術的未來信息器件方向之一。

研究工作主要從兩方面進行。一方面，研究小組在銅上生長了石墨烯；另一方面，謝素原課題組的田寒蕊博士負責制備各種類型的碳團簇分子，值得一提的是，碳籠C50即謝素原2003年發表在Science上的研究成果，研究中所用的C50H10是后續發展的利用火焰燃燒法進行宏量制備C50所合成的。

謝素原毫無保留地將實驗室富勒烯研究方向幾十年的積淀都拿出來了。富勒烯雖然相伴而生，但對于一些新型的富勒烯含量比較低，一次性合成量遠遠不足，每一次合成的產品，都像是鍋底的炭黑，每次掃完灰，同學身上總是黑黑的。用來制備富勒烯的爐子也需要不斷地調控，控制溫度等條件，研究生們日夜值班、換班，工作的辛苦不言而喻，同時也表現出了謝素課題組同學們之間非常好的團隊合作精神。田寒蕊在漳州校區做實驗，為保證高效率的溝通合作，往往需要搭乘輪渡，花費一個多小時才能到達思明校區。

洪文晶實驗室致力精密儀器研究，與謝素原富勒烯優勢兩相結合，就可以將本來被普遍認為極具潛力的電子學材料的石墨烯應用到電子器件領域去。“肖宗源老師的材料，謝素原老師的化學，我們的工程，加上柯林·蘭伯特院士的物理，這種跨學科的交叉，才有了這項成果。”

碳材料促進柔性電子器件研發

黃維院士，曾經表示未來將是“碳基材料+光電過程”（或曰“碳+光”）的時代，石墨烯、碳基納米材料、有機高分子材料，以及激光與光通信、光存儲、光顯示等將成為其顯著特征。“碳基材料+光電過程”催生了柔性電子和柔性電子產業，并為其開辟了極為廣闊的發展空間，將深刻變革人類生產方式、生活方式、思維方式。例如，柔性傳感器與可穿戴設備、柔性芯片、柔性微控制器、柔性晶體管、柔性非易失邏輯器件、柔性儲能器件、柔性顯示……

以碳基納米材料在半導體中的應用為例：隨著后摩爾時代的到來，在為數不多的幾種可能的替代材料中，碳基納米材料因為具有高的本征遷移率、彈道輸運特性、相同的電子和空穴的有效質量以及單原子層結構等，被認為是最有希望的。

雖然以有機物半導體作為溝道材料構建的器件具有加工工藝簡單、造價低，可以利用打印或者印刷的方式進行制備的優點，但是器件速度慢、功耗高、晶體管開關比低，不利于構建復雜度較高和高性能的柔性電子電路。

IBM 公司最新的理論計算研究成果如下圖所示，其數據表明在相同的器件特征尺寸下，碳納米管場效應晶體管器件比硅基鰭式場效應晶體管器件在性能上能提高 2 倍以上，而在功耗降低至原來的 50％以下，從而具有大概 5 倍能量延遲積的優勢，這表明碳基納米材料具備未來電子技術所需的高性能和低功耗的特性。

除優異的電學性能外，石墨烯和碳納米管的光學、力學性能也使其適用于柔性電子器件的制造。其中，石墨烯具有輕薄、透明等特性；碳納米管具有柔韌性好、耐彎曲和疲勞強度高的特性。

碳基半導體材料有望在實際中滿足多種柔性電子器件的應用場景：柔性應變/壓力傳感器，該類傳感器通常由導電傳感元件與彈性聚合物或其他柔性/可拉伸基材（如纖維、紗線和紡織品）耦合組成，可通過應變/壓力刺激引起的導電元件間接觸電阻的變化，檢測材料應變或外界壓力；可穿戴器件，由于柔性電子器件具有很高的柔性和延展性，可與人體的外形特性和運動特性相匹配，并完成傳感、顯示等功能，應用于消費電子、醫療保健等行業，柔性能源系統，該類系統的定義為柔性甚至可伸縮的能源裝置，包括超級電容器、電化學電池（例如鋰電池、鈉電池和金屬空氣電池）、光伏裝置和發電機等；透明導電薄膜類應用，該類應用包括柔性觸摸板、柔性有機發光二極管（OLED）和柔性有機太陽能電池等。

但是到目前為止，利用碳基材料所構建的柔性電子器件在性能和集成度上與剛性襯底上的結果仍然具有很大的差距，沒有完全發揮出材料自身的優異特性，當然，值得肯定的是，以碳納米管為代表的碳基半導體經過長期積累在近年來取得諸多進展，技術成熟度和產業化都迎來曙光，但技術發展和產業完善不是一蹴而就的。碳基半導體和硅基半導體材料在性能和成本等不同角度擁有各自的優勢。因此，碳基納米材料在高性能、低功耗柔性電子技術上的應用具有很大的提升空間。

華南理工大學已成功制備柔性碳氣凝膠

超輕、高壓縮性和超彈性的碳材料在可穿戴和柔性電子器件中有很大的應用前景，但由于碳材料的脆性，其制備仍然是一個挑戰。華南理工大學劉傳富教授團隊在《CHEMNANOMAT》期刊發表名為“Enhancing the Mechanical Performance of Reduced Graphene Oxide Aerogel with Cellulose Nanofibers”的論文，研究通過增強纖維素納米纖維 (CNF) 的氧化石墨烯 (GO) 液晶穩定氣泡成功制備了超低密度、高機械性能的碳氣凝膠。

還原氧化石墨烯（rGO）納米片中引入CNF后，通過焊接效應增強了rGO納米片之間的相互作用，限制了rGO納米片的滑移和微球之間的剝離，從而顯著提高了材料的力學性能。所制備的碳氣凝膠具有超高的壓縮性（高達99%的應變）和彈性（在50%應變下10000次循環后90.1%的應力保持率和99.0%的高度保持率），通過各種方法制備的碳氣凝膠均優于現有的氣泡模板碳氣凝膠和許多其它碳材料。這種結構特征導致了快速穩定的電流響應和對外部應變和壓力的高靈敏度，使碳氣凝膠能夠檢測非常小的壓力和從手指彎曲到脈搏的各種人體運動。這些優點使得碳氣凝膠在柔性電子器件中具有廣闊的應用前景。