碳材料家族又添2位新成员：通过对两种分子实施“麻醉”和“手术”，同济大学科研团队首次成功合成了分别由10个或14个碳原子组成的环形纯碳分子材料。

北京时间11月30日，国际学术期刊《自然》在线发表了同济大学材料科学与工程学院许维教授团队的这一最新科研成果。

这项研究首次成功精准合成了两种全新的碳分子材料（碳同素异形体），即芳香性环型碳C10和C14，并精细表征了它们的化学结构，这两种合成的新颖碳结构有望应用于未来的分子电子学器件中。

在这项研究中，团队采用了不同于C18的将环状碳氧化合物作为前驱体的合成路线，创新性地设计了全卤化萘（C10Cl8）和蒽（C14Cl10）两种前驱体分子。团队将这两种分子放在“手术台上”（氯化钠薄膜）并将其“麻醉”（液氦4.7 K冻住），而后利用STM针尖作为“手术刀”对其进行“手术”（原子操纵），进而诱导两种分子完全脱卤并伴随发生反伯格曼开环反应，最终成功地在表面上合成了两种芳香性环型碳C10和C14。化学键分辨的原子力显微镜表明，不同于此前C18的聚炔型结构，C10和C14均具有累积烯烃型的结构。

团队进一步通过理论计算发现，这2位碳材料家族的新成员并非拥有完全一致的特性，C10完全没有键长交替，而C14作为从累积烯烃型C10到聚炔型C18的过渡态，存在一个非常小的键长交替，从实验上也无法分辨出来。

许维教授表示，这项研究工作极大推动了环型碳领域的发展，提出的表面合成策略有望成为一种合成系列环型碳的普适性方法。同时，合成的环型碳有望发展成为新型半导体材料，并在分子电子器件中有着广阔的应用前景。


世界首例全碳电子器件

2019年，厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室、能源与石墨烯创新平台洪文晶教授、谢素原教授与英国兰卡斯特大学柯林·兰伯特院士团队合作创造了世界首例具有原子精度的全碳电子器件！

将具有原子级规整结构和优异电学特性的富勒烯材料和石墨烯结合，发表在《自然·通讯》的科研成果，正是两种碳材料美丽邂逅碰撞出的花火。全碳电子器件精度达到原子级别，相较传统的、基于硅基半导体的微纳电子器件，具有更快的速度和更低的功耗，将是一项最有希望替代现有硅基技术的未来信息器件方向之一。

研究工作主要从两方面进行。一方面，研究小组在铜上生长了石墨烯；另一方面，谢素原课题组的田寒蕊博士负责制备各种类型的碳团簇分子，值得一提的是，碳笼C50即谢素原2003年发表在Science上的研究成果，研究中所用的C50H10是后续发展的利用火焰燃烧法进行宏量制备C50所合成的。

谢素原毫无保留地将实验室富勒烯研究方向几十年的积淀都拿出来了。富勒烯虽然相伴而生，但对于一些新型的富勒烯含量比较低，一次性合成量远远不足，每一次合成的产品，都像是锅底的炭黑，每次扫完灰，同学身上总是黑黑的。用来制备富勒烯的炉子也需要不断地调控，控制温度等条件，研究生们日夜值班、换班，工作的辛苦不言而喻，同时也表现出了谢素课题组同学们之间非常好的团队合作精神。田寒蕊在漳州校区做实验，为保证高效率的沟通合作，往往需要搭乘轮渡，花费一个多小时才能到达思明校区。

洪文晶实验室致力精密仪器研究，与谢素原富勒烯优势两相结合，就可以将本来被普遍认为极具潜力的电子学材料的石墨烯应用到电子器件领域去。“肖宗源老师的材料，谢素原老师的化学，我们的工程，加上柯林·兰伯特院士的物理，这种跨学科的交叉，才有了这项成果。”

碳材料促进柔性电子器件研发

黄维院士，曾经表示未来将是“碳基材料+光电过程”（或曰“碳+光”）的时代，石墨烯、碳基纳米材料、有机高分子材料，以及激光与光通信、光存储、光显示等将成为其显著特征。“碳基材料+光电过程”催生了柔性电子和柔性电子产业，并为其开辟了极为广阔的发展空间，将深刻变革人类生产方式、生活方式、思维方式。例如，柔性传感器与可穿戴设备、柔性芯片、柔性微控制器、柔性晶体管、柔性非易失逻辑器件、柔性储能器件、柔性显示……

以碳基纳米材料在半导体中的应用为例：随着后摩尔时代的到来，在为数不多的几种可能的替代材料中，碳基纳米材料因为具有高的本征迁移率、弹道输运特性、相同的电子和空穴的有效质量以及单原子层结构等，被认为是最有希望的。

虽然以有机物半导体作为沟道材料构建的器件具有加工工艺简单、造价低，可以利用打印或者印刷的方式进行制备的优点，但是器件速度慢、功耗高、晶体管开关比低，不利于构建复杂度较高和高性能的柔性电子电路。

IBM 公司最新的理论计算研究成果如下图所示，其数据表明在相同的器件特征尺寸下，碳纳米管场效应晶体管器件比硅基鳍式场效应晶体管器件在性能上能提高 2 倍以上，而在功耗降低至原来的 50％以下，从而具有大概 5 倍能量延迟积的优势，这表明碳基纳米材料具备未来电子技术所需的高性能和低功耗的特性。

除优异的电学性能外，石墨烯和碳纳米管的光学、力学性能也使其适用于柔性电子器件的制造。其中，石墨烯具有轻薄、透明等特性；碳纳米管具有柔韧性好、耐弯曲和疲劳强度高的特性。

碳基半导体材料有望在实际中满足多种柔性电子器件的应用场景：柔性应变/压力传感器，该类传感器通常由导电传感元件与弹性聚合物或其他柔性/可拉伸基材（如纤维、纱线和纺织品）耦合组成，可通过应变/压力刺激引起的导电元件间接触电阻的变化，检测材料应变或外界压力；可穿戴器件，由于柔性电子器件具有很高的柔性和延展性，可与人体的外形特性和运动特性相匹配，并完成传感、显示等功能，应用于消费电子、医疗保健等行业，柔性能源系统，该类系统的定义为柔性甚至可伸缩的能源装置，包括超级电容器、电化学电池（例如锂电池、钠电池和金属空气电池）、光伏装置和发电机等；透明导电薄膜类应用，该类应用包括柔性触摸板、柔性有机发光二极管（OLED）和柔性有机太阳能电池等。

但是到目前为止，利用碳基材料所构建的柔性电子器件在性能和集成度上与刚性衬底上的结果仍然具有很大的差距，没有完全发挥出材料自身的优异特性，当然，值得肯定的是，以碳纳米管为代表的碳基半导体经过长期积累在近年来取得诸多进展，技术成熟度和产业化都迎来曙光，但技术发展和产业完善不是一蹴而就的。碳基半导体和硅基半导体材料在性能和成本等不同角度拥有各自的优势。因此，碳基纳米材料在高性能、低功耗柔性电子技术上的应用具有很大的提升空间。

华南理工大学已成功制备柔性碳气凝胶

超轻、高压缩性和超弹性的碳材料在可穿戴和柔性电子器件中有很大的应用前景，但由于碳材料的脆性，其制备仍然是一个挑战。华南理工大学刘传富教授团队在《CHEMNANOMAT》期刊发表名为“Enhancing the Mechanical Performance of Reduced Graphene Oxide Aerogel with Cellulose Nanofibers”的论文，研究通过增强纤维素纳米纤维 (CNF) 的氧化石墨烯 (GO) 液晶稳定气泡成功制备了超低密度、高机械性能的碳气凝胶。

还原氧化石墨烯（rGO）纳米片中引入CNF后，通过焊接效应增强了rGO纳米片之间的相互作用，限制了rGO纳米片的滑移和微球之间的剥离，从而显著提高了材料的力学性能。所制备的碳气凝胶具有超高的压缩性（高达99%的应变）和弹性（在50%应变下10000次循环后90.1%的应力保持率和99.0%的高度保持率），通过各种方法制备的碳气凝胶均优于现有的气泡模板碳气凝胶和许多其它碳材料。这种结构特征导致了快速稳定的电流响应和对外部应变和压力的高灵敏度，使碳气凝胶能够检测非常小的压力和从手指弯曲到脉搏的各种人体运动。这些优点使得碳气凝胶在柔性电子器件中具有广阔的应用前景。