Химики получили монослой полимерного фуллерена

Химики из Китая синтезировали монослой полимерного фуллерена — модификации углерода, состоящей из замкнутых углеродных многогранников. Монослой оказался стабильным кристаллическим полупроводником, обладающим анизотропными свойствами. Исследование опубликовано в журнале Nature.

Химики занимаются двумерными углеродными материалами, потому что они часто проявляют необычные электронные и оптические свойства. Это происходит из-за подвижности электронов в сопряженной системе кратных связей в плоских двумерных структурах. Однако о свойствах двумерных структур, состоящих из многоатомных углеродных каркасов, ученые знают немного.

Один из кандидатов для синтеза таких двумерных структур — фуллерен. Эта модификация углерода состоит из многоатомных каркасных молекул, в простейшем случае их формула — C₆₀. Ученым уже известно, что при высоких температуре и давлении фуллерены полимеризуются, образуя решетки из связанных друг с другом углеродных каркасов. Но получать и использовать кристаллические образцы таких полимеров неудобно — они нестабильны при обычных условиях и получаются с низким выходом.

Химики под руководством Чжэня Цзяня (Zheng Jian) из Университета китайской академии наук решили приготовить монослой из полимерного фуллерена. Они взяли образец коммерчески доступного фуллерена C₆₀ и нагрели его с металлическим магнием в запаянной ампуле при 580 градусах Цельсия. Через 20 часов на холодной части ампулы выросли кристаллы полимерного интеркалята — соединения, в котором слои из катионов магния чередовались со слоями из соединенных между собой каркасов C₆₀. Причем по данным рентгеноструктурного анализа образовалось два вида кристаллов — одни с квазигексагональной решеткой, а другие — с квазитетрагональной.

Чтобы получить монослойный образец из полимера, химики смешали интеркалят с салицилатом тетрабутиламмония в N-метилпирролидоне. В этот момент салицилат-анионы образовали устойчивое комплексное соединение с магнием, и место катионов магния в интеркаляте заместили крупные катионы тетрабутиламмония. В результаты прочность связей между слоями полимера понизилась, и после того, как химики взболтали образец, полимер легко распался на отдельные слои. В результате химикам удалось получить монослойные и многослойные образцы полимерного фуллерена.

Далее ученые решили изучить структуры полученных образцов. С помощью оптической микроскопии они выяснили, что монослои толщиной 1,22 нанометра образовались только из кристаллов полимеров с квазигексагональной решеткой, а в случае квазитетрагональной структуры образовались образцы из нескольких слоев. При этом длина образцов в среднем составила 60 микрометров, а ширина — 30 микрометров.

Затем химики принялись изучать свойства монослоев с квазигексагональной структурой. С помощью фотоэлектронной спектроскопии они выяснили, что полимерный монослой, в отличие от простого фуллерена, обладает полупроводниковыми свойствами. А измерения проводимости образца монослоя показали, что электрический ток по нему течет в одних направлениях лучше, а в других — хуже. Это явление называется анизотропией и возникает из-за несимметричной кристаллической структуры образца.

Также ученые исследовали стабильность полученного полимера. Они приготовили его раствор в N-метилпирролидоне и оставили стоять месяц на воздухе. В результате этого эксперимента внешний вид раствора не изменился. А термическую стабильность полимера химики подтвердили, нагрев образец до 600 градусов Цельсия: рамановский спектр и внешний вид нагретого образца остался таким же, каким был до нагревания.

Так химики получили стабильный образец монослойного полимерного фуллерена размером в несколько десятков микрометров. Он оказался термически стабильным соединением с анизотропными и полупроводниковыми свойствами. При этом отношение максимальной проводимости к минимальной составило 12 к 10, а ширина запрещенной зоны — 1,6 электронвольт.

Ранее мы писали о том, как химики синтезировали кристаллический графин — модификацию углерода, в которой между атомами есть тройные связи. А прочитать про недавно открытые необычные свойства двуслойных образцов графена можно в нашем материале «Тонко закручено».

Михаил Бойм