碳是地球上最重要的元素之一，碳材料一直被认为是一种未来材料，作为材料领域的科技前沿和研究热点，制备新型碳材料长期以来备受学术界和产业界关注。

中国科学院化学研究所郑健研究员团队历时5年努力，最近在新型碳材料方面取得重大突破，他们在常压下通过简单的反应条件，创制出一种新型碳同素异形体单晶——单层聚合碳60，以其独特结构和性能，在超导、量子计算、光/电半导体器件等诸多领域具有广阔的潜在应用前景。

由中国科学家完成的这项材料领域重要研究成果论文，北京时间6月15日夜间在国际著名学术期刊《自然》(Nature)上线发表，也为碳材料后续研究提供了全新思路。

为什么要研究制备新型碳材料？

论文通讯作者郑健研究员称，碳原子具有极轻的原子质量，它可与自身或其他大部分元素以多种杂化方式成键。碳是元素周期表中最多样化的元素之一，它可与自身或其他大部分元素以多种杂化方式成键，获得结构丰富的碳网络，形成独特的π电子共轭体系，并展现出优异的力、热、光、电等属性。

同一种元素构成的物质，由于原子排列不同，展现出不同的物理化学性质，称之为同素异形体。碳有多种同素异形体，包括金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管、石墨烯和石墨炔等。

通过调节碳材料的带隙，可使其表现出迥异的电学性质，如金属、半导体和绝缘体，从而在晶体管、能源存储器件、超导等领域具有广泛应用。碳材料的性能与其拓扑结构密切相关，因此，研究新的二维碳同素异形体，特别是具有带隙的新型结构，建立结构与物性之间的关联，具有重要意义。

制备新型碳材料一直是材料领域的前沿科学问题，以富勒烯、碳纳米管、石墨烯、石墨炔为代表的新型碳材料的每一次发现，都引发材料学家的研究热潮，有材料学家甚至认为，人类社会将由现今的“硅基电子时代”迈入到未来的“碳基电子时代”。

碳家族单晶新材料是如何创制的？

论文第一作者、中科院化学所侯凌翔博士介绍说，迄今为止构筑二维材料的最小单元是单个原子，被称为人造原子的纳米团簇作为基本单元构筑更高级的二维拓扑结构一直未能实现。由于碳碳成键的反应收率不是100%，且反应不可逆，因此，使用传统化学反应自下而上通过分子“垒砖头”的方法制备二维团簇碳材料单晶几乎无法完成。

针对这一科学难题，研究团队近年来潜心研究，最终历时5年，利用掺杂聚合-剥离两步法，成功制备出一种新型碳同素异形体单晶材料——单层二维聚合碳60，并获得确凿的价键结构。这项研究工作的突出特点，就是通过调节镁(Mg)和碳60的比例，在常压下通过简单的反应条件，获得Mg插层的聚合碳60单晶，并基于此创制出单层碳60聚合物这一全新的碳家族单晶材料。

研究团队进一步利用单晶X射线衍射(XRD)和扫描透射电子显微镜(STEM)对该单层碳60聚合物进行结构表征，结果显示，碳60之间在平面内连接形成了一种全新的二维拓扑超结构。

侯凌翔说，这是一种全新的簇聚二维超结构，由碳60簇笼在平面上通过C-C键相互共价键合形成规则的拓扑结构。这种新型碳材料具有较高的结晶度和良好的热力学稳定性，并具有适度的禁带宽度。

最新研究成果有什么应用价值？

郑健表示，研究团队成功创制的单层聚合碳60的带隙约为1.6eV(电子伏特)，是典型的半导体，预示着其在光/电半导体器件中具有广阔的潜在应用。此外，单层聚合碳60具有良好的热力学稳定性，在约600K(326.85℃)温度下仍旧稳定存在。

由于不对称成键结构，单层聚合碳60中每个碳60单元被拉伸成方向一致的椭球形，从而使得这种新的碳材料具有显著的平面各向异性，如各向异性声子模式和电导率，这表明，该碳家族单晶新材料在非线性光学和功能化电子器件方面具有重要的应用前景。