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未來材料——拉扯就可以改變導電性的碳原子線
文章來源:新材料在線     更新時間:2020-09-21 14:39:58

 碳炔(卡賓,亦有譯作“卡拜”,“線型碳”),由單鏈的碳原子連接而成,為目前理論上已知最硬的材料。

 

 

最近科學家透過理論計算預測,這種新穎材料除了硬,還具備特殊的導電性質,可以由拉扯從導體變成半導體甚至是絕緣體!

 

 

碳炔是由線型的碳原子排列而成,每個碳可以提供4個價電子來與周圍的原子形成共價鍵,欲形成直鏈的話,理論上在兩兩碳原子間的鍵數可以是2:2(碳原子間都是雙鍵)或者是1:3(以單鍵 - 參鍵 - 單鍵 - 參鍵??交錯排列),當碳炔處在弛豫態(放松的狀態,在此意指不受任何其他外力限制或場影響的狀態)時,每組碳碳鍵幾乎是等長,且具備導體的性質。看到這里,你可能會直覺地認為碳碳間應該都是以雙鍵連接,客官且慢,先別那么快下結論!根據派爾斯不穩定性理論(Peieris不穩定),一維的無限長分子串會傾向于變成一長一短的鍵結來降低總能,那為什么還會說碳炔是等長的呢?原因在于分子并非處在一個靜止不動的穩定態,原子的相對位置會振動(在不同鍵長出現的機率可透過分子的位能面決定)而使鍵長變化「模糊」。當碳碳鍵結構在1:3和3:1兩種低位能形式間變換(出現機率相同),若是兩者間的位能障礙不大,則碳碳鍵的振動波涵數(核振動波函數),便可以腳踏兩條船,分布在1:3和3:1中間的位置上,而不會集中在兩個最低位能點,導致我們觀測到等長的結果。

 

萊斯大學(Rice大學)的鮑里斯一Yakobson團隊透過理論模擬來研究碳炔[1],他們將碳炔拉長后計算其導電性質。結果顯示,當碳炔被拉長,其碳碳鍵會趨向于變得不等長(因為1:3和3:1的鍵結結構間的位能障礙變高,使得碳碳原子振動無法簡單越過能障,不能腳踏兩條船,只能分布在其中ㄧ種情形(見上圖右)),價電子帶到導電帶的能量間距(帶隙)也會被拉大,令碳炔變得更不易導電,此外,在考慮其導電性時,碳炔兩端怎么連接到電極也會對結果產生影響。研究者之一的Artyukhov說道:「在這項研究前,大部份人都認為碳炔應該穩定處在一長一短的鍵結結構,維持絕緣體的狀態,而我們的理論考慮了原子振動帶來的不確定性,使得零點振動成為與派爾斯不穩定性競爭的變因,抵消了派爾斯不穩定性造成的鍵長不等距情形」。藉由調整施予碳炔的張力,我們可以控制這兩個因素的競爭,調整其導電性,讓它從導電相轉移到半導體相。

 

目前,碳炔在合成上仍存在許多技術問題,使得對碳炔的研究大都停留在理論階段,應用層面也還無法有效發展。未來有一天,若是碳炔可以成功量產化,其堅硬的性質和特殊的導電變化,將有巨大潛力應用到電子或是其他產業上!

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