楊金龍

（中國科學技術(shù)大學化學與材料科學學院，合肥微尺度物質(zhì)科學國家實驗室，合肥230026）

含有平面五配位碳的二維材料

楊金龍

（中國科學技術(shù)大學化學與材料科學學院，合肥微尺度物質(zhì)科學國家實驗室，合肥230026）

碳（C）作為一種常見而又重要的元素，可以靈活的采取四面體sp3、平面sp2或者直線sp的雜化方式同自身或者其他元素形成化學鍵，進而形成具有不同幾何結(jié)構(gòu)的分子和材料。除了這三種常見的雜化成鍵方式，1970年著名的化學家Hoffmann提出C還可以采取平面四配位的成鍵方式1，即C和四個原子相連并處于同一個平面上。Hoffmann同時提出可以利用σ電子給體或者π電子受體來穩(wěn)定平面四配位C。在這一策略的啟發(fā)下，理論化學家們設(shè)計出很多含有平面四配位C的分子，其中有些已經(jīng)在實驗上被合成出來。除了平面四配位，Schleyer等人2，3通過量子力學計算發(fā)現(xiàn)在一些分子中C還可以采取平面五配位甚至平面六配位的成鍵方式。這些發(fā)現(xiàn)引領(lǐng)了平面C的研究熱潮。

材料的性質(zhì)和它的結(jié)構(gòu)有著很緊密的關(guān)系。因此，如果能把這些反常規(guī)的平面C成鍵方式引入到材料當中去，設(shè)計一些具有特殊幾何結(jié)構(gòu)的新材料，有望帶來一些獨特的性質(zhì)。在這一思路的指引和石墨烯等二維材料研究熱潮的啟發(fā)下，最近南京師范大學李亞飛課題組和美國波多黎各大學陳中方教授4合作，通過密度泛函理論計算設(shè)計出一種新穎的無機二維材料：Be5C2。在Be5C2單層材料中，每個C原子和周圍的5個鈹（Be）原子相連形成化學鍵，并且這5個C―Be鍵處于近似同一個平面上，因此Be5C2單層材料中每個C原子都是近似的平面五配位C。通過使用適應性自然密度劃分（ssAdNDP）方法對Be5C2單層材料的化學成鍵進行分析，表明它是一個全部由多中心離域鍵構(gòu)成的二維體系。Be5C2單層材料具有很高的熱力學和動力學穩(wěn)定性。全局結(jié)構(gòu)搜索計算表明這種含有平面五配位C的Be5C2單層材料在二維空間里是能量最低結(jié)構(gòu)，非常有望在實驗上合成出來。Be5C2單層材料的價帶頂和導帶底在費米能級處相交，因此它是一種沒有帶隙的準金屬材料。另外，Be5C2單層材料具有獨特的負泊松比，即它可以在兩個方向上同時被拉伸或壓縮。

該工作最近發(fā)表于Nature Communications。Be5C2單層材料是首個含有平面五配位C的二維材料，它的成功設(shè)計進一步豐富了我們對于化學鍵的認識。同時，Be5C2單層材料具有非常優(yōu)異的性質(zhì)，如果能夠在實驗上合成出來，將會在電子學和力學器件領(lǐng)域有著光明的應用前景。

References

（1）Hoffmann，R.；Alder，R.W.；Wilcox，C.F.，Jr.J.Am.Chem. Soc.1970，92，4992.doi:10.1021/ja00719a044

（2）Wang，Z.X.；Schleyer，P.v.R.Science 2001，292，2465.doi: 10.1126/science.1060000

（3）Exner，K.；Schleyer，P.v.R.Science 2000，290，1937.doi: 10.1126/science.290.5498.1937

（4）Wang，Y.；Li，F(xiàn).；Li，Y.F.；Chen，Z.F.Nat.Commun.2016，7，11488.doi:10.1038/ncomms11488

［Highlight］10.3866/PKU.WHXB201605161www.whxb.pku.edu.cn