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冯新亮破解半世纪难题!首次合成出一种新型的石墨烯结构材料!

冯新亮破解半世纪难题!首次合成出一种新型的石墨烯结构材料!

第一作者:Shantanu Mishra, Doreen Beyer

通讯作者:Xinliang Feng,Roman Fasel

通讯单位:瑞士联邦材料科学与技术实验室、德累斯顿工业大学

C38H18是一种蝴蝶结状的多环芳烃分子,理论上可以直接从石墨烯中得到。神奇之处在于,它拥有偶数个原子和电子,但是碳原子的成键方式使得所有电子都发生配对不可能实现。因此,170个价电子中,有168个电子以化学键共享,另外两个电子不成对,并具有异常独特的磁性。两个不成对的电子的存在,使得这种在有机化学中被称为自由基的分子具有极强的反应性,而且难以分离。

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图1. Triangulene(来源:Nature)

20世纪50年代,有机化学家Erich Clar预测并试图合成一种三角形分子(triangulene)的双自由基石墨烯,最终宣告失败,近70年后的2017年,IBM的科学家首次合成这种三角形分子。1972年,在triangulene 相关理论的基础上,Erich Clar预测并试图合成一种称之为Clar高脚杯的石墨烯纳米材料(C38H18),也以失败告终,直到2019年12月9日,由瑞士科学家Roman Fasel德累斯顿工业大学华人科学家冯新亮领导的研究团队,首次实验上实现了C38H18石墨烯纳米材料的合成。

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图2. 石墨烯纳米结构(Triangulene和C38H18)

研究团队受启发于一种不稳定石墨烯片段的表面化学合成策略,首先以精妙的手段合成前驱体分子,然后将前驱体分子升华到Au(111)表面,Au(111)表面既充当载体,又充当催化剂,而且相比于其他币族金属更具有化学惰性。最后,样品退火到300℃,促进前驱体转变成C38H18。考虑到C38H18反应性极强,因此整个合成必须在超高真空条件下原位实现,以避免周围分子与之发生作用。

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图3. 材料合成与表征

得益于高分辨率的STM成像和光谱学的不断发展,研究团队可以观察和操纵石墨烯纳米结构中的单个磁矩。研究人员在C38H18分子中发现了拓扑挫折诱导的特殊磁性。与金属电极接触后,反铁磁基态仍然能够存在,交换耦合强度为23 meV,优于过渡金属纳米磁体,并超过了郎道尔最小能量耗散极限。

总之,这个新分子的合成为碳基自旋电子学带来了新希望。

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图4. 磁性研究

参考文献:

ShantanuMishra et al. Topological frustration induces unconventional magnetism in ananographene. Nature Nanotechnology 2019.

DOI:10.1038/s41565-019-0577-9

原创文章,作者:电催化合成,如若转载,请注明出处:http://www.zgsmx.cn/1102.html

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