石墨烯（Graphdiyne，GDY）是一種人造碳同素異形體，在概念上與石墨烯相似，但由sp-和sp2-雜化的碳原子組成。單層 GDY（ML-GDY）被認為是一種理想的二維半導體材料，具有廣泛的應用前景。然而，它的合成一直是一個巨大的挑戰，導致理論特性的實驗驗證困難重重。本文報告了在 MXene 亞納米層間空間內原位乙炔基均偶聯六乙炔基苯的方法，可有效防止材料的面外生長或垂直堆積，從而得到具有面內周期性的 ML-GDY。隨后的剝離過程成功產生了具有微米級橫向尺寸的獨立 GDY 單層。在獨立的 ML-GDY 上制造場效應晶體管使首次測量其電子特性成為可能。室溫下測得的電導率（5.1 × 103 S m
-1）和載流子遷移率（231.4 cm
2 V
-1 s
-1）明顯高于之前報道的多層 GDY 材料。以層狀晶體為模板的空間約束合成為制備具有精確控制的層數和長程結構秩序的二維材料提供了一種新策略。
Fig 1. a) 在 MXene 層間空間生長 GDY 單層的過程示意圖。b) MAX、MXene、HEB-摻雜 MXene（HEB-MXene）和 GDY-MXene 的實驗 PXRD 圖樣。插圖是 GDY-MXene PXRD 圖樣中選定區域的放大圖，顯示了 GDY 的面內 (100) 反射。c-e) 沿著 [110] 區軸采集的 MAX c)、MXene d) 和 GDY-MXene e) 的原子分辨率 HAADF-STEM（上圖）和 iDPC-STEM（下圖）圖像。f) GDY-MXene 的放大 iDPC-STEM 圖像。箭頭表示生長在 MXene 層間空間的 GDY 單層。 g) 從（c）、（d）和（e）中標記區域提取的圖像強度曲線。標記列的原子類型顯示了三種材料截然不同的層間結構。
Fig 2. a) GDYMXene 沿著[110]區軸的結構模型（左）和環形暗場-STEM 圖像（右）。 b) 從 GDY-MXene 的 Ti3C2Tx 層（上）和層間空間（下）收集到的 C-K 邊 EELS 光譜，如 a) 所示。c) 根據從（a）所示區域收集的 C-K 邊沿（285.5-287.5 eV）EELS 光譜繪制的元素圖（左）和強度曲線（右），表明層間空間的碳含量較高。左側插圖是使用聚焦離子束蝕刻 GDY-MXene 晶體以暴露內部結構的光學顯微鏡圖像。十字標記表示收集拉曼光譜的位置。右側插圖是 HEB 的拉曼光譜，以作比較。e) MXene 和 GDY-MXene 的高分辨率 C 1s XPS 光譜。 f) GDY-MXene 的 SAED 圖樣，顯示出兩組六方晶格，可歸屬于取向關系為 30°的 MXene 和 GDY 結構。上插圖是獲取 SAED 圖樣的 GDY-MXene 晶體的 TEM 圖像。下插圖是一個結構模型，說明了 ML-GDY 和 MXene 之間的取向關系。
Fig 3. a) 通過離子插層輔助剝離法從 GDY-MXene 制備獨立 ML-GDY 的示意圖。 b) 剝離的 GDY-MXene 粉末的原子力顯微鏡圖像，顯示不同厚度薄片的混合物。c) （b）中四個標記薄片的原子力顯微鏡高度剖面圖。d) ML-GDY 和 Ti3C2Tx 單層薄片（使用原子力顯微鏡預先識別）的拉曼光譜。 e) 基于 2120-2230 cm
-1 處信號的 ML-GDY 薄片拉曼強度圖。插圖為相應的原子力顯微鏡圖像。所示的 0.61 nm 高度對應于剖面圖中的最低值。 f) 獨立 ML-GDY 的 TEM 圖像和 SAED 圖樣（插圖）。從獨立 ML-GDY 和 TEM 網格的無定形碳薄膜上收集的低損耗 g) 和核心損耗 h) EELS 光譜。g) 中的插圖是進行 EELS 的區域的 STEM 圖像。(h) 中的插圖是 ML-GDY 的放大 EELS 光譜。
Fig 4. a) ML-GDY FET 器件的結構示意圖。 b) 在 298 K 條件下測量的 ML-GDY 的 I
ds-V
ds 特性。c) ML-GDY 的電導率和電阻（插圖）與溫度的反函數關系。 d) V
ds = 0.05 V 時 ML-GDY FET 的轉移特性曲線。插圖顯示了 ML-GDY FET 在 -20 至 20 V 不同 V
g 偏置下記錄的輸出特性曲線。
相關研究工作由北京大學Jin Zhang和阿卜杜拉國王科技大學Zhiping Lai、Jiaqiang Li課題組于2023年共同發表在《AM》期刊上，Space-Confined Synthesis of Monolayer Graphdiyne in MXene Interlayer，原文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202308429
轉自《石墨烯研究》公眾號
