進展|三維石墨烯BCO-C16：一種新型拓撲Node-Line半金屬

風景天成 2016-05-20

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碳元素是自然界中最為廣泛分布和存在的元素之一。從簡單碳氫化合物中我們可以得到四種基本碳碳鍵構(gòu)型：乙烷（H₃C-CH₃）碳碳單鍵,、乙烯（H₂C=CH₂）碳碳雙鍵,、乙炔(HC≡CH)碳碳三鍵以及苯基大π鍵結(jié)構(gòu)。苯基大π鍵結(jié)合構(gòu)成穩(wěn)定的兩維石墨烯,，烷基碳碳單鍵結(jié)合構(gòu)成三維金剛石,，炔基碳碳三鍵結(jié)合形成碳原子鏈。近年來,，零維C₆₀富勒烯球,、一維碳納米管以及兩維石墨烯的發(fā)現(xiàn)和合成更加激發(fā)了人們探索新的碳晶體結(jié)構(gòu)的興趣。但是長期以來有關(guān)三維all-sp²碳烯（或石墨烯的三維版本）晶體結(jié)構(gòu)的研究始終未取得滿意的進展。2012年以來我們致力于通過一維碳炔鏈的折疊與重構(gòu)來設(shè)計構(gòu)建三維碳烯晶體結(jié)構(gòu),?；谝蚁┬吞继茧p鍵結(jié)合，我們先后提出了由三折,、四折和六折螺旋碳原子鏈重構(gòu)而成的三維碳烯晶體結(jié)構(gòu)模型[Sci. Rep. 3, 03077 (2013); Sci. Rep. 4, 04339 (2014)],，發(fā)現(xiàn)三折cR6和四折cT8三維晶體結(jié)構(gòu)由反向手性碳鏈組成、六折Rh6三維碳烯晶體結(jié)構(gòu)由可單一手性碳鏈組成,，分別具有R-3m,，I4₁/amd和R-3m對稱性。能帶計算表明這些手性碳烯晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)半導(dǎo)體特性,帶隙分別為2.95 eV,，2.41 eV和0.47 eV,。最近的實驗表明，Rh6及其致密相Rh6-II碳晶體結(jié)構(gòu)可通過研磨含富勒烯球碎片的非晶炭灰來合成[Carbon 102, 288 (2016)],。
　　基于以上工作,，最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）王建濤研究員,、翁紅明副研究員,、聶思敏博士研究生、方忠研究員與日本東北大學川添良幸教授和美國內(nèi)華達大學陳長風教授合作,，通過第一性原理計算,，提出了一個新的由六折反向手性碳原子鏈構(gòu)成的三維碳烯晶體結(jié)構(gòu)（圖1a）。該結(jié)構(gòu)具有體心正交對稱性,，單位晶胞含16個碳原子,，因此簡稱為BCO-C₁₆碳。同時其反向手性碳原子鏈通過乙烯型碳碳雙鍵結(jié)合形成苯環(huán)直鏈,，因此,，BCO-C₁₆碳也可以視為是由苯環(huán)直鏈通過乙烯型碳碳雙鍵結(jié)合而成的“石墨烯的三維版本”或“三維石墨烯”。其結(jié)構(gòu)特征與cR6,、cT8和Rh6碳類似,，包含2/3碳碳單鍵和1/3碳碳雙鍵。但是由于其特有的共軛反向手性結(jié)構(gòu),，能量上BCO-C₁₆比Rh6更加穩(wěn)定,，與固體C₆₀的能量大致相當(圖1b)。
　　詳細的能帶計算表明這個新的三維石墨烯碳結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)Node-Line半金屬特性(見圖2),。在兩維石墨烯中,，費米能級附近的能帶形成交叉點(Dirac點)，但是在三維BCO-C₁₆晶體中,，能帶交叉點(圖2a)在動量空間形成連續(xù)閉合的曲線(紅色圓環(huán),，圖2b）,。并且這個曲線投影到材料的（100）表面上時出現(xiàn)受體態(tài)拓撲保護的能量色散非常小的鼓膜狀二維表面平帶(紅色曲線，圖2c,2d）,。通過和以往報道的X-線衍射實驗數(shù)據(jù)的詳細比對分析發(fā)現(xiàn)這種由苯環(huán)或苯環(huán)直鏈構(gòu)成的三維石墨烯晶體結(jié)構(gòu)可能存在于燃燒或爆炸生成的炭灰中,，在30度附近存在一個顯著的衍射峰(圖3)。三維手性石墨烯晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn),，形成了一個從零維富勒烯球、一維碳納米管,、二維石墨烯以及三維碳烯的完整碳烯結(jié)構(gòu)系列,。這些結(jié)果對全面理解碳晶體構(gòu)型及有關(guān)物性具有重要的科學意義，并將激發(fā)有關(guān)實驗工作的開展,。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2016年5月11日出版的 Phys. Rev. Lett. 116, 195501 (2016) ,。
　　該工作得到了國家自然科學基金委(批準號11274356,11274359,11422428)、中國科學院先導(dǎo)B項目和科技部973項目的支持,?！?/span>
　　相關(guān)工作鏈接：
　　[1] Body-Centered Orthorhombic C16: A Novel Topological Node-Line Semimetal. Phys. Rev. Lett. 116, 195501 (2016).
　　[2] New Carbon Allotropes with Helical Chains of Complementary Chirality Connected by Ethene-type π-Conjugation.
　　[3] A New Carbon Allotrope with Six-Fold Helical Chains in all-sp2 Bonding Networks.

圖1：(a)手性體心正交BCO-C₁₆碳烯晶體結(jié)構(gòu)(Imma, No. 74)。S和R分別代表左右手性碳螺旋,。單位晶胞含16個碳原子由苯環(huán)直鏈通過乙烯型碳碳雙鍵結(jié)合而成,，含2/3碳碳單鍵和1/3碳碳雙鍵。晶格常數(shù) a =7.8061 ?, b = 4.8772 ?, c = 3.2372 ?, 占據(jù)8i (0.3231, 0.25, 0.1258) 和 8f (0.0885, 0.5, 0.5) 晶格位置,。 (b) 計算得到的各種碳結(jié)構(gòu)的能量-體積曲線,。