中山大学在一维碳纳米材料研究取得新进展

碳具有多种同素异形体，如金刚石、石墨烯、碳纳米管、富勒烯、碳链等。其中，二维的石墨烯，一维的碳纳米管和碳链是目前科学家关注的重点材料。碳纳米管由于其手性种类繁多，且难以合成单手性的半导体型碳纳米管，目前研究进入到了瓶颈期。石墨烯具有极高的电荷迁移率，是未来半导体工业中替代硅的有力竞争者。

然而，石墨烯是一种半金属材料，本身没有带隙，极大地限制了其应用于半导体领域。将石墨烯从二维的平面结构转变为一维的纳米带结构，能够本征地引入带隙，因此石墨烯纳米带成为近年来的研究热点。而一维碳链本身就是半导体材料，因此受到越来越多的关注。

中山大学石磊副教授加入材料科学与工程学院后，在杨国伟教授团队中创立了“一维纳米碳”课题组，旨在推动和发展一维纳米碳材料在国内外的研究。课题组研究方向集中在完全一维的碳链以及准一维的碳纳米管和石墨烯纳米带等的制备、性能与应用研究。自入职以来，石磊副教授以通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.、Carbon等期刊发表了十余篇研究论文。

一维碳链的激子动力学研究

此前已经就一维碳链的近场拉曼光谱、共振拉曼光谱、反斯托克斯拉曼光谱和拉曼散射截面进行了详尽的研究。近期，中国大学和科隆大学等单位的研究人员合作，利用时间分辨拉曼光谱对于一维碳链中的激子弛豫动力学进行了探索。

一维碳链在皮秒激光激发后，其拉曼光谱信号的弛豫时间远长于准一维的碳纳米管的拉曼光谱信号弛豫时间，说明了一维结构的特异性。研究人员发现利用远离共振区域的稳态激光激发碳链，观察不到碳链的拉曼信号；而利用相同能量的皮秒激光激发碳链，则可以观察到很强的一维碳链的拉曼光谱。

据此，研究团队提出假设，碳纳米管与碳链之间存在很强的能量转移，影响了二者的激子动力学行为。为了验证这一假设，研究人员通过对比碳纳米管和碳链的声子弛豫动力学，确认了能量转移的存在。此外，通过低温下的声子弛豫动力学研究，研究人员还发现激子复合是受到缺陷或者光学支声子辅助的过程的影响，而不是直接的激子-激子复合。

这项研究增进了科学界对于不同维度的碳的同素异形体之间的相互作用的理解，这种研究方法也适用于大多数的一维和二维材料的激子动力学研究。

激光原位加热合成性能可控一维碳链

一维碳链的结构极不稳定，难以存在于常温常压下，且相互之间容易产生交联反应，因此对碳链的研究进展缓慢、难以开展。为了解决一维碳链的稳定性问题，此前研究团队通过高温炉加热的方式在碳纳米管中合成了世界纪录长度的稳定一维碳链。

在此基础上，研究人员利用单壁碳纳米管转化成的不同直径的双壁碳纳米管为模板，合成了性能可控的一维碳链。然而，由于尚没有完全可控直径的碳纳米管，因此对于一维碳链的控制合成还存在挑战。

此前，研究人员还尝试了利用激光原位加热的方式，在单壁碳纳米管中合成内层碳纳米管。在此基础上，他们将分散在微栅上的双壁碳纳米管在拉曼光谱仪镜头下用波长为568nm激光加热样品，通过拉曼光谱可原位监测碳链的生长，并且由于微栅是位置标记的，在电镜测试中也可以容易地找到加热的样品位置，因此可以在电镜中观测激光加热后生长的碳链。

石墨烯纳米带的限域生长研究

石墨烯纳米带具有独特的电学特性，其比零带隙的二维平面石墨烯更适合开发新一代电子器件，近年来受到学界广泛关注。石墨烯纳米带的带隙受到其宽度与边缘结构的调控，因此可控制备具有特定边缘与宽度的石墨烯纳米带是该领域的重要课题。以不同直径单壁碳纳米管提供的限域空间为纳米反应器调控小分子前驱体反应合成特定石墨烯纳米带具有与众不同的反应机理，值得进一步研究与开发。

课题组以二茂铁为前驱体分子，利用一系列不同直径分布的单壁碳纳米管作为纳米反应器，研究了不同石墨烯纳米带的生长与单壁碳纳米管之间的关系。通过拉曼光谱与透射电子显微镜表征发现石墨烯纳米带的宽度受单壁碳纳米管直径的调控，尤其利用平均直径1.3nm的单壁碳纳米管能够制备大量6、7-扶手椅型石墨烯纳米带。

此外经过半导体型与金属型分离的单壁碳纳米管对石墨烯纳米带产率也有一定的影响。同时指出，石墨烯纳米带与单壁碳纳米管之间的范德瓦耳斯力作用是调控石墨烯纳米带生长的关键因素。

碳链的反斯托克斯拉曼光谱

此前，中山大学和瑞士苏黎世联邦理工学院的Lukas Novotny课题组的合作取得了若干标志性成果。例如，利用近场拉曼光谱成功发现了世界纪录长度的碳链，并且发现碳链的性质可以由碳纳米管来进行调控，首次验证了碳链为carbyne，结束了几十年以来carbyne是否存在这一争议。单根碳链的拉曼光谱之所以能够被容易地探测到，得益于其具有目前所有已知材料中最大的拉曼散射截面。

近期，新的合作研究针对单根碳链的反斯托克斯拉曼光谱进行了深入的研究，通过对比不同激光功率下碳链的斯托克斯/反斯托克斯强度比，提出一种局域温度测定法，有望应用于纳米级别的测温需求领域。