碳具有多種同素異形體，如金剛石、石墨烯、碳納米管、富勒烯、碳鍊等。其中，二維的石墨烯，一維的碳納米管和碳鍊是目前科學家關注的重點材料。碳納米管由于其手性種類繁多，且難以合成單手性的半導體型碳納米管，目前研究進入到了瓶頸期。石墨烯具有極高的電荷遷移率，是未來半導體工業中替代矽的有力競争者。然而，石墨烯是一種半金屬材料，本身沒有帶隙，極大地限制了其應用于半導體領域。将石墨烯從二維的平面結構轉變為一維的納米帶結構，能夠本征地引入帶隙，是以石墨烯納米帶成為近年來的研究熱點。而一維碳鍊本身就是半導體材料，是以，受到越來越多的關注。
中山大學石磊副教授加入材料科學與工程學院後，在楊國偉教授團隊中創立了“一維納米碳”課題組，旨在推動和發展一維納米碳材料在國内外的研究。課題組研究方向集中在完全一維的碳鍊以及準一維的碳納米管和石墨烯納米帶等的制備、性能與應用研究。自入職以來，石磊副教授以通訊作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.、Carbon等期刊發表了十餘篇研究論文。近期，課題組又取得了一系列重要進展，總結彙報如下。
1.一維碳鍊的激子動力學研究
此前已經就一維碳鍊的近場拉曼光譜（Shi L., et al. Nature Materials, 15, 634-639, 2016）、共振拉曼光譜（Shi L., et al. Nano Letters, 21, 1096–1101, 2021）、反斯托克斯拉曼光譜（Tschannen C. D., et al. ACS Nano, 15, 7, 12249–12255 2021）和拉曼散射截面（Tschannen C. D., et al. Nano Letters; 20, 6750−6755, 2020)）進行了詳盡的研究。近期，我們和科隆大學等機關的研究人員合作，利用時間分辨拉曼光譜對于一維碳鍊中的激子弛豫動力學進行了探索。
一維碳鍊在皮秒雷射激發後，其拉曼光譜信号的弛豫時間遠長于準一維的碳納米管的拉曼光譜信号弛豫時間，說明了一維結構的特異性。我們發現利用遠離共振區域的穩态雷射激發碳鍊，觀察不到碳鍊的拉曼信号；而利用相同能量的皮秒雷射激發碳鍊，則可以觀察到很強的一維碳鍊的拉曼光譜。據此，我們提出假設，碳納米管與碳鍊之間存在很強的能量轉移，影響了二者的激子動力學行為。為了驗證這一假設，我們通過對比碳納米管和碳鍊的聲子弛豫動力學，确認了能量轉移的存在。此外，通過低溫下的聲子弛豫動力學研究，我們發現激子複合是受到缺陷或者光學支聲子輔助的過程的影響，而不是直接的激子-激子複合。我們的研究增進了人們對于不同次元的碳的同素異形體之間的互相作用的了解，這種研究方法也适用于大多數的一維和二維材料的激子動力學研究。
相關的研究成果以“Unraveling the excitonic transition and associated dynamics in confined long linear carbon-chains with time-resolved resonance Raman scattering”為題發表在光學頂級學術期刊Laser & Photonics Reviews（影響因子13.138）。科隆大學的朱井義博士為論文第一作者和共同通訊作者，石磊副教授為最後通訊作者，科隆大學的Van Loosdrecht Paul H. M. 教授和大連化學實體研究所的吳凱豐研究員為共同通訊作者，維也納大學和香港中文大學的合作者為論文的共同作者。該研究工作部分受到國家自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金的支援。
論文連結：
https://doi.org/10.1002/lpor.202100259
2.雷射原位加熱合成性能可控一維碳鍊
一維碳鍊的結構極不穩定，難以存在于常溫常壓下，且互相之間容易産生交聯反應，是以對碳鍊的研究進展緩慢、難以開展。為了解決一維碳鍊的穩定性問題，此前我們通過高溫爐加熱的方式在碳納米管中合成了世界紀錄長度的穩定一維碳鍊（Shi L., et al. Nature Materials, 15, 634-639, 2016）。在此基礎上，我們利用單壁碳納米管轉化成的不同直徑的雙壁碳納米管為模闆，合成了性能可控的一維碳鍊（Shi L., et al. Nano Letters, 21, 1096–1101, 2021）。然而，由于尚沒有完全可控直徑的碳納米管，是以對于一維碳鍊的控制合成還存在挑戰。
此前，我們嘗試了利用雷射原位加熱的方式在單壁碳納米管中合成内層碳納米管（Chimborazo L., et al. Applied Physics Letters 115, 103102, 2019）。在此基礎上，我們将分散在微栅上的雙壁碳納米管在拉曼光譜儀鏡頭下用波長為568nm的雷射加熱樣品，通過拉曼光譜可原位監測碳鍊的生長，并且由于微栅是位置标記的，在電鏡測試中也可以容易地找到加熱的樣品位置，是以可以在電鏡中觀測雷射加熱後生長的碳鍊。
相關的研究成果以“Photothermal synthesis of confined carbyne”為題發表在碳材料國際著名學術期刊Carbon上，并被選為183卷封面。石磊副教授為論文第一作者和共同通訊作者，中山大學材料科學與工程學院為論文第一機關，Thomas Pichler教授為共同通訊作者，維也納大學和産業技術綜合研究所的合作者為共同作者。該研究工作部分受到國家自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金、中央高校基大學研業務費、中山大學“百人計劃”啟動經費的支援。
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.05.058
3.石墨烯納米帶的限域生長研究
石墨烯納米帶具有獨特的電學特性，其比零帶隙的二維平面石墨烯更适合開發新一代電子器件，近年來受到學界廣泛關注。石墨烯納米帶的帶隙受到其寬度與邊緣結構的調控，是以可控制備具有特定邊緣與寬度的石墨烯納米帶是該領域的重要課題。以不同直徑單壁碳納米管提供的限域空間為納米反應器調控小分子前驅體反應合成特定石墨烯納米帶具有與衆不同的反應機理，值得進一步研究與開發。
課題組以二茂鐵為前驅體分子，利用一系列不同直徑分布的單壁碳納米管作為納米反應器，研究了不同石墨烯納米帶的生長與單壁碳納米管之間的關系。通過拉曼光譜與透射電子顯微鏡表征發現石墨烯納米帶的寬度受單壁碳納米管直徑的調控，尤其利用平均直徑1.3nm的單壁碳納米管能夠制備大量6、7-扶手椅型石墨烯納米帶。此外經過半導體型與金屬型分離的單壁碳納米管對石墨烯納米帶産率也有一定的影響。同時指出，石墨烯納米帶與單壁碳納米管之間的範德瓦耳斯力作用是調控石墨烯納米帶生長的關鍵因素。
相關的研究成果以“Carbon nanotube-dependent synthesis of armchair graphene nanoribbons”為題發表在國内著名學術期刊Nano Research上。課題組的張一帆博士為論文第一作者，中山大學材料科學與工程學院為論文第一機關，石磊副教授為最後通訊作者，楊國偉教授為共同通訊作者，維也納大學、産業技術綜合研究所、烏爾姆大學、上海科技大學的合作者為共同作者。該研究工作部分受到國家自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金的支援。
http://www.thenanoresearch.com/upload/justPDF/3819.pdf
4. 碳鍊的反斯托克斯拉曼光譜
此前，我們和瑞士蘇黎世聯邦理工學院的Lukas Novotny課題組的合作取得了若幹标志性成果。例如，利用近場拉曼光譜成功發現了世界紀錄長度的碳鍊（Shi L., et al. Nature Materials, 15, 634-639, 2016），并且發現碳鍊的性質可以由碳納米管來進行調控，首次驗證了碳鍊為carbyne，結束了幾十年以來carbyne是否存在這一争議（Heeg S., et al. Nano Letters, 18, 5426-5431, 2018）。我們還發現，單根碳鍊的拉曼光譜之是以能夠被容易地探測到，得益于其具有目前所有已知材料中最大的拉曼散射截面（Tschannen C. D., et al. Nano Letters, 20, 6750−6755, 2020）。
近期，新的合作研究針對單根碳鍊的反斯托克斯拉曼光譜進行了深入的研究，通過對比不同雷射功率下碳鍊的斯托克斯/反斯托克斯強度比，提出一種局域溫度測定法，有望應用于納米級别的測溫需求領域。論文發表在ACS Nano。
在本研究中，課題組提供了研究所需的碳鍊樣品以及樣品的拉曼光譜。蘇黎世聯邦理工的博士生Tschannen C. D.為論文第一作者和通訊作者，石磊副教授為共同作者。該研究工作部分受到國家自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金的支援。
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c03893
來源：中山大學