一种新型碳二维平面晶体及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种新型碳二维平面晶体及其制备方法，该晶体由sp2态碳原子的平面四元环和平面六元环组成，六元环的不相邻的三条边分别与一个四元环共享，其余三条边为单独占有；四元环的一组对边分别与一个六元环共享，另外的一组对边为单独占有。晶体的平面结构中，组成该晶体的碳的成键原子轨道是略微变形的sp2杂化轨道，形成平面共轭大π键结构；每个碳原子通过sp2杂化轨道的3个σ‑键与3个碳原子成键，平面边沿的碳原子的2个σ‑键与2个碳原子相联，指向平面外的一个σ‑键与氢原子或其它单键的原子或原子团连接。该晶体有望在半导体、电子器件、生命科学和医药材料等诸多领域有潜在的应用价值，预计可以带来很高的社会效益和经济效益。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及新材料领域，尤其涉及碳素材料，具体涉及一种新型碳二维平面晶体及其制备方法。
技术介绍
碳素材料是材料领域的一个重要分支，从上世纪末到本世纪，市场上不断涌现出新型碳同素异形体和碳素新材料。20世纪80年代以前，人们知道的碳的同素异形体只有石墨、金刚石和无定形碳3种，20世纪80年代后接连发现了新的碳的同素异形体：富勒烯（碳60，C60）和碳纳米管。特别是2004年发现的石墨烯（Graphene）是一种碳元素的二维平面晶体，打破了传统物理学的概念，形成了科学上新的理论和技术。石墨烯是一种有许多奇异性质的新材料，引发了物理和化学理论的发展，也引发了材料科学的革命性变革。石墨烯是人们发现的第一个碳的二维平面晶体，会不会还有其它结构不同的碳的二维平面晶体存在？这是一个非常重要的科学理论问题，也有重要的潜在应用价值。专利技术人在石墨烯材料的研究中发现了碳元素的一类新型二维平面晶体，由碳的平面六元环和四元环组成，可能有不止一种晶型，本专利技术列举的只是其中一种晶型。该晶体在半导体、电子器件、生命科学和医学材料等诸多领域有潜在的应用价值，预计可以带来很高的社会效益和经济效益。专利技术人检索到一篇新型二维层状碳材料的专利：申请号：201410200817.3；申请人：上海交通大学；专利技术名称：一种新型二维层状碳材料；摘要：本专利技术涉及一种新型二维层状碳材料，该材料为石墨烯片层中产生一定数目碳空位后形成的所有二维层状结构。 碳原子在平面内形成六元环以及其它数目的原子环相连的排列样式，从而构成一种具有奇特结构和优异力学、电学性质的材料。 与现有技术相比，本专利技术采用操作简单、成本低、计算准确、应用广泛且重复性好的第一性原理计算方法，从原子尺度给出这种新型二维层状碳材料的结构。 该材料在未来可作为潜在的新一代电子元件或晶体管的候选材料，具有重要的现实价值和研究意义。上述专利用材料设计软件在石墨烯的晶体结构中挖出一些规则或不规则的残缺，如此设计出的石墨烯晶体。在实施例中该专利提供的所有二维层状碳材料样品都是用材料设计软件Materials Studio画出来的，并没有真实合成出来，也没给出合成方法，更没有具体的表征。如该专利实施具体方式中提到：“ [0038] 本专利技术中涉及的一种新型二维层状碳材料的结构采用Materials Studio软件中自带的CASTEP模块对手动搭建的模型进行结构优化后获得。”。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种新型碳二维平面晶体，即4-6碳烯二维平面晶体（专利技术人命名），并表征其基本的结构单元、平面结构和平面参数。本专利技术另外一个目的是公开该新型碳二维平面晶体的制备方法。本专利技术的第一个目的是这样实现的：本专利技术公开的新型碳二维平面晶体（4-6碳烯二维平面晶体），其基本结构单元由sp2态碳原子的平面四元环和平面六元环组成，平面四元环和平面六元环的边长相近，边长约为0.148~0.152纳米；新型碳二维平面晶体，其平面结构中，平面六元环不相邻的三条边分别与一个平面四元环共享，其余三条边为单独占有；平面四元环中的一组对边分别与一个平面六元环共享，另外的一组对边为单独占有。所述的矩形二维平面晶体的四条边有两种不同的结构，一种边的凹槽由突起的六元环-四元环-六元环隔离，另一种边的凹槽由突起的六元环隔离。新型碳二维平面晶体，其平面结构中，该晶体的内部包括相间分布的正十二边形的空洞，空洞的直径约为0.536纳米（5.36Å）。新型碳二维平面晶体，其平面结构中，组成该晶体的碳的成键原子轨道是略微变形的sp2杂化轨道，形成共轭的大π键结构；每个碳原子通过sp2杂化轨道的3个σ-键与3个碳原子连接，平面边沿的碳原子的2个σ-键与2个碳原子相联，指向平面外的一个σ-键与氢原子或其它单键的原子或原子团连接。新型碳二维平面晶体，除平面形态外，还可以为曲面状、波浪状、筒状和球状。本专利技术的另外一个目的是这样实现的：新型碳二维平面晶体的制备方法，包括以下步骤：（1）把经过抛光和清洁处理后的铜箔放入微反应器的U型石英管内，作为制备晶体薄膜的基片；（2）开启真空泵，抽真空5分钟，至负压为-0.1 mPa，再通氮气至常压；（3）开启温控电源，设置加温程序，开启加热电源，升温至300℃~ 800℃；（4）以惰性气体为载气，将苯蒸汽带入微反应器的U型石英管内，通过水浴温度控制苯的蒸汽压，通过载气量控制带入微反应器的苯蒸汽的量；（5）在微反应器的U型石英管内苯蒸汽分解成裸碳苯环自由基和氢，裸碳苯环自由基以共轭π键相结合，在铜箔上沉积成晶体薄膜，同时在石英玻璃管内壁也有晶体薄膜生成；（6）反应时间视反应温度和U型石英管和铜箔的面积而定，反应3到5分钟得到单层晶体，每层厚度约为0.34纳米；时间越长，生成的晶体薄膜的层数越多；（7）待反应完毕，温度降至室温，取出铜箔，用化学分散溶剂分离和转移晶体薄膜；在U型石英管内加入化学分散溶剂，管壁上的晶体薄膜与管壁分离，悬浮在化学分散溶剂中；以上两种方式分离得到的晶体薄膜都是新型碳二维平面晶体薄膜。步骤（7）所述的化学分散溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。本专利技术公开的新型碳二维平面晶体（4-6碳烯二维平面晶体）的化学原理和化学反应如下：（1）苯分子在适当的温度、压力、气氛环境、催化剂等条件下分解成裸碳苯环自由基和氢：两个裸碳苯环自由基以共轭π键相互结合，形成以下结构的新型碳二维平面晶体的分子片段：裸碳苯环自由基继续与新型碳二维平面晶体的分子片段（4-6碳烯二维平面晶体）以共轭π键结合，新型碳二维平面晶体的分子片段不断扩大，最终形成面积较大的新型碳二维平面晶体。与现有的碳的二维晶体石墨烯相比，本专利技术的积极效果是：1、专利技术人在石墨烯材料的研究中发现了碳元素的一类新型二维平面晶体，由碳的平面六元环和四元环组成，碳的成键原子轨道是略微变形的sp2杂化轨道，形成共轭大π键结构。新型碳二维平面晶体与石墨烯的结构不同，因而具有不同的性质。例如，新型碳平面晶体中有较大的孔洞，因而有比石墨烯更小的密度，和更大的比表面。新型碳平面晶体的电子导带和禁带能级与石墨烯不同，因而有希望作为石墨烯的参杂物质，制造二极管和三级管。新型碳二维平面晶体的稳定性虽不如石墨烯，但因此会有比石墨烯更活泼的化学性质，在化学和生物学中得到应用。附图说明图1新型碳二维平面晶体的结构单元和分子片段图；图2新型碳二维平面晶体结构图；图3制备新型碳二维平面晶体的微反应器装置图；图4铜箔上晶体薄膜的SEM结构图；图5石英管壁上的晶体薄膜的SEM结构图。具体实施方式为更好地说明本专利技术的结构和实质，下面用实施例的形式提供新型碳二维平面晶体的结构以及该晶体的制备方法，所举实例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的所有可能的制备方法。实施例1本专利技术公开的新型碳二维平面晶体（4-6碳烯二维平面晶体），其基本结构单元由sp2态碳原子的平面四元环和平面六元环组成，平面四元环和平面六元环的边长相近，边长为0.148~0.152纳米；新型碳二维平面晶体，其平面结构中，平面六元环不相邻的三条边分别与一个平面四元环共享，其余三条边为单独占有；平面四元环中的一组对边分别与一个平面六元环共享，另外的一组对边为单独占有。所述的矩形二维平面晶体的四条边有两种不同的结构，一种边的凹槽由突起的六本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型碳二维平面晶体，其特征在于：其基本结构单元由sp2态碳原子的平面四元环和平面六元环组成，平面四元环和平面六元环的边长相近，边长为0.148~0.152纳米；其平面结构中，平面六元环不相邻的三条边分别与一个平面四元环共享，其余三条边为独自占有；平面四元环中的一组对边分别与一个平面六元环共享，另外的一组对边为独自占有；所述的碳的平面晶体中，矩形平面的四条边有两种不同的结构，一种边的凹槽由突起的六元环‑四元环‑六元环隔离，另一种边的凹槽由突起的六元环隔离；其平面结构中，该晶体的内部包括相间分布的正十二边形的空洞，空洞的直径为0.536纳米；其平面结构中，组成该晶体的碳的成键原子轨道是略微变形的sp2杂化轨道，形成共轭的大π键结构；每个碳原子通过sp2杂化轨道的3个σ‑键与3个碳原子连接，平面边沿的碳原子的2个σ‑键与2个碳原子相联，指向平面外的一个σ‑键与氢原子或其它单键的原子或原子团连接。

【技术特征摘要】
1.一种新型碳二维平面晶体，其特征在于：其基本结构单元由sp2态碳原子的平面四元环和平面六元环组成，平面四元环和平面六元环的边长相近，边长为0.148~0.152纳米；其平面结构中，平面六元环不相邻的三条边分别与一个平面四元环共享，其余三条边为独自占有；平面四元环中的一组对边分别与一个平面六元环共享，另外的一组对边为独自占有；所述的碳的平面晶体中，矩形平面的四条边有两种不同的结构，一种边的凹槽由突起的六元环-四元环-六元环隔离，另一种边的凹槽由突起的六元环隔离；其平面结构中，该晶体的内部包括相间分布的正十二边形的空洞，空洞的直径为0.536纳米；其平面结构中，组成该晶体的碳的成键原子轨道是略微变形的sp2杂化轨道，形成共轭的大π键结构；每个碳原子通过sp2杂化轨道的3个σ-键与3个碳原子连接，平面边沿的碳原子的2个σ-键与2个碳原子相联，指向平面外的一个σ-键与氢原子或其它单键的原子或原子团连接。2.根据权利要求1所述的新型碳二维平面晶体，其特征在于：该晶体除平面形态外，还形成曲面状、波浪状、筒和球状。3.根据权利要求1所述的新型碳二维平面晶体，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜奇石，黄慨，黎演明，唐培朵，黄华林，龙思宇，黄日波，
申请(专利权)人：广西科学院，
类型：发明
国别省市：广西;45