研究生院最新研究设计提出碳的一种新结构

2011-4-26 15:03 来源: 中国科学院
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  最近,中科院研究生院苏刚教授及其博士生胜献雷等人基于密度泛函第一性原理研究,设计提出了元素的一种新结构,该结构被命名为T型碳(T-carbon)。相关研究结果近日发表在国际期刊《物理评论快报》上 [X. L. Sheng et al., Physical Review Letters 106, 155703 (2011)]。

  众所周知,碳是地球上组成生命的最基本的元素之一。碳可以形成sp3、sp2和sp杂化化学键,具有很强的结合能力,可以与其他元素结合成不计其数的无机和有机化合物,形成了化学和生物的多样性,构成了现在丰富多彩的世界。在自然界,碳一般具有三种同素异形体:石墨、金刚石和无定形碳。经过长期大量的研究,人们已对上述材料的物理和化学性质有了深入的理解。

  自上世纪80年代以来,科学家对合成碳的新型同素异形体产生了浓厚兴趣。最著名的例子包括碳富勒烯(Kroto等人于1985年合成,1996获得诺贝尔化学奖)、碳纳米管(Iijima于1991年合成,2008年获得Kavli纳米科学奖)和石墨烯(Novoselov和Geim于2004年得到,2010年获得诺贝尔物理奖)。这些结构不仅在化学、物理、材料和信息科学等相关领域产生了科学上的巨大影响,同时也导致了工业和技术上的大量应用。基于这些结构,人们合成了许多新的衍生物,并制成了新的功能器件和相关产品。另一方面,随着化学合成技术的进步,人们也得到了一些比较复杂的碳的同素异形体,如一维的sp卡宾碳,二维的sp-sp2的石墨炔(graphyne),三维的sp-sp3-金刚石炔等。几年前,科学家们利用石墨在高压下合成了一种新的碳,其结构尚不清楚,国际上几个研究组分别提出了单斜碳、体心四方碳和sp3-正交碳等来解释该高压相结构。鉴于近年来在元素碳的实验和理论方面取得的研究进展,可以说目前已进入了探索碳的新型同素异形体的活跃期。

  苏刚教授及其博士生胜献雷等人通过大量对比研究后提出,如果将立方金刚石结构中每个原子用一个碳的正四面体来替代,将会形成碳的一种新型三维立方晶体结构。他们基于密度泛函的第一性原理研究,发现这种结构在几何、能量以及动力学上都是稳定的,并命名该同素异形体为T-carbon。他们的研究表明,T-carbon具有与金刚石相同的空间群,是一个具有直接带隙的半导体,带隙在3eV左右,并可通过掺杂来调控带隙大小以适用于光催化;其价电子形成了各向异性的sp3杂化键。T-carbon的维氏硬度为61.1GPa,与立方氮化硼的硬度相当,比金刚石的硬度小1/3左右。T-carbon具有非常低的密度,仅为每立方厘米1.5克,约为石墨的2/3、金刚石的一半。与碳的其它同素异形体比较,T-carbon沿特定方向上的原子间距比较大,每原子体积是金刚石的两倍多、石墨的1.5倍;其体弹性模量是金刚石的36%、石墨的57%。由于T-carbon原子间的空隙较大,非常有利于做储能材料,研究表明其储氢能力不低于7.7wt%。由于上述独特的性能,T-carbon一旦实验上被获得,将会在光催化、吸附、储氢、航空航天材料等领域有潜在的广泛应用。进一步的研究显示,T-carbon也有可能在宇宙星际尘埃或太阳系外行星中被观察到。

  该成果已被Science News、PhysOrg.com网站等科学新闻媒体作了报道和介绍。该工作得到了国家自然科学基金委和中国科学院的支持。