Химики получили монослой полимерного фуллерена

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.

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.