石墨炔
石墨炔（Graphyne）是碳的同素異形體。它是由單原子厚的，sp雜化和sp2雜化的碳原子構成的晶體。它可以看成用碳碳三鍵連接而成的苯。根據鍵的種類，石墨炔中的碳可以看作是混合的spn雜化，1<n<2[1][2]。因此它與石墨（sp2）和鑽石（sp3）均有所不同。
石墨炔在1960年代就已被推測存在，[3]並且在富勒烯被發現後獲得了相當的關注。
儘管當時並未合成，但石墨炔和它的氮化硼同構體的周期性結構在藉助聲子色散曲線、從頭計算法計算的有限溫度和量子分子動力學模擬的第一性原理的計算下被證明是穩定的。[4]
結構
目前石墨炔尚未有足以進行研究的製備產出，但科學家在推測的晶格結構之上通過計算機建模預言了這種化合物的諸多性質。[5]這種可能的結構是在把石墨烯晶格中的碳碳單鍵替換成三鍵後得到的。理論上石墨炔可能存在數種不同的幾何結構，這種不同來源於碳原子的sp雜化和sp2雜化的不同排列。推測的幾何結構包括六方晶系和立方晶系。[6]有人認為石墨炔中可能存在的方向相關的狄拉克錐使它在一些方面較石墨烯更有應用前景。[7][8]在多種理論推導出的結構中立方晶系的6,6,12-石墨炔似乎有着最好的應用前景。
性質
石墨炔的模型表明在碳碳雙鍵和三鍵上可能有狄拉克錐存在。狄拉克錐會使得費米能級中存在一個導帶和價帶線性相交的點。這種性質的優點是電子在其中會表現得沒有質量，結果使電子能量與動量成正比。與石墨烯一樣六方晶系的石墨炔有着各向同性的電磁屬性。但是由於立方晶系6,6,12-石墨炔的對稱性，它的電磁屬性會在各個方向有所不同。[6]這種獨特的對稱屬性使得石墨炔可以自摻雜，使它擁有兩個分別在費米能級上下，距離不遠的狄拉克錐。[6]在面內施加外應變可以調節6,6,12-石墨炔的這種自摻雜特性。[9]新近合成的石墨炔樣品的熔點在250至300°C，與氧反應，在熱，光下分解均不活躍。 [5]
潛在應用
6,6,12-石墨炔的方向選擇性使納米尺度的電子光柵成為可能。它還可能會為更快的電晶體和納米尺度電子元件帶來巨大的進展。
石墨二炔
現有報道中石墨二炔的製備是在銅表面上得到的1mm厚的薄層。[10]石墨二炔可能會有一種納米尺度的三角形網狀結構和規則分佈的孔，從而構成納米多孔膜。這些毛孔的尺寸和氦原子范德華半徑相近，因此石墨二炔可能會成為適合氦化學和同位素分離的二維材料。[11]石墨二炔膜作為二維篩應用於水過濾和淨化技術的可能性亦被提出。 .[12]
參考文獻
- ^ Heimann, R.B.; Evsvukov, S.E.; Koga, Y. Carbon allotropes: a suggested classification scheme based on valence orbital hybridization. Carbon. 1997, 35 (10–11): 1654–1658. doi:10.1016/S0008-6223(97)82794-7.
- ^ Enyashin, Andrey N.; Ivanovskii, Alexander L. Graphene Allotropes. Physica Status Solidi B. 2011, 248 (8): 1879–1883. Bibcode:2011PSSBR.248.1879E. doi:10.1002/pssb.201046583.
- ^ Balaban, AT; Rentia, CC; Ciupitu, E. (1968). Rev. Roum. Chim. 13: 231
- ^ Özçelik, V. Ongun; Ciraci, S. Size Dependence in the Stabilities and Electronic Properties of α-Graphyne and Its Boron Nitride Analogue. The Journal of Physical Chemistry C. January 10, 2013, 117 (5): 2175–2182. arXiv:1301.2593
. doi:10.1021/jp3111869.
- ^ 5.0 5.1 Kim, Bog G.; Choi, Hyoung Joon. Graphyne: Hexagonal network of carbon with versatile Dirac cones. Physical Review B. 2012, 86 (11): 115435. Bibcode:2012PhRvB..86k5435K. arXiv:1112.2932 . doi:10.1103/PhysRevB.86.115435.
- ^ 6.0 6.1 6.2 Dumé, Belle. Could graphynes be better than graphene?. Physics World (Institute of Physics). 1 March 2012 [2020-06-14]. （原始內容存檔於2017-07-04）.
- ^ Malko, Daniel; Neiss, Christian; Viñes, Francesc; Görling, Andreas. Competition for Graphene: Graphynes with Direction-Dependent Dirac Cones (PDF). Phys. Rev. Lett. 24 February 2012, 108 (8): 086804 [2020-06-14]. Bibcode:2012PhRvL.108h6804M. PMID 22463556. doi:10.1103/PhysRevLett.108.086804. （原始內容存檔 (PDF)於2018-11-04）.
- ^ Schirber, Michael. Focus: Graphyne May Be Better than Graphene. Physics. 24 February 2012, 5 (24): 24 [2020-06-14]. Bibcode:2012PhyOJ...5...24S. doi:10.1103/Physics.5.24. （原始內容存檔於2020-06-14）.
- ^ Wang, Gaoxue; Si, Mingsu; Kumar, Ashok; Pandey, Ravindra. Strain engineering of Dirac cones in graphyne. Applied Physics Letters. May 26, 2014, 104 (21): 213107. Bibcode:2014ApPhL.104u3107W. doi:10.1063/1.4880635.
- ^ Li, Guoxing; Li, Yuliang; Liu, Huibiao; Guo, Yanbing; Li, Yongjun; Zhu, Daoben. Architecture of graphdiyne nanoscale films. Chemical Communications. 2010, 46 (19): 3256–3258. PMID 20442882. doi:10.1039/B922733D.
- ^ Bartolomei, Massimiliano; Carmona-Novillo, Estela; Hernández, Marta I.; Campos-Martínez, José; Pirani, Fernando; Giorgi, Giacomo. Graphdiyne Pores: "Ad Hoc" Openings for Helium Separation Applications. Journal of Physical Chemistry C. 2014, 118 (51): 29966–29972. arXiv:1409.4286 . doi:10.1021/jp510124e.
- ^ Bartolomei, Massimiliano; Carmona-Novillo, Estela; Hernández, Marta I.; Campos-Martínez, José; Pirani, Fernando; Giorgi, Giacomo; Yamashita, Koichi. Penetration Barrier of Water through Graphynes' Pores: First-Principles Predictions and Force Field Optimization. Journal of Physical Chemistry Letters. 2014, 5 (4): 751–755. arXiv:1312.3179 . doi:10.1021/jz4026563.
