石墨炔（GDY）由周期性排列的 sp 和 sp2 杂化碳原子组成，是一种新兴的二维（2D）材料和新型碳同素异形体。与通常需要苛刻合成条件的其他碳同素异形体不同，GDY 可在室温和大气压等温和条件下合成。单层 GDY（ML-GDY）尤其引人关注，因为它与零带隙石墨烯不同，具有天然的直接带隙和超高的载流子迁移率。据预测，单层 GDY（ML-GDY）是一种理想的二维（2D）半导体材料，具有广泛的应用前景。然而，它的合成一直是一个巨大的挑战，导致难以通过实验验证其理论特性。

来自沙特阿卜杜拉国王科技大学和北京大学的学者报告了在 MXene 的亚纳米层间空间内原位乙炔基均偶联六乙炔基苯，可以有效防止材料的面外生长或垂直堆积，从而得到具有面内周期性的 ML-GDY。随后的剥离过程成功产生了具有微米级横向尺寸的独立 GDY 单层。在独立的 ML-GDY 上制造场效应晶体管使首次测量其电子特性成为可能。室温下测得的电导率（5.1×103S m-1）和载流子迁移率（231.4 cm2 V-1s-1）明显高于之前报道的多层 GDY 材料。以层状晶体为模板的空间约束合成为制备具有精确控制的层数和长程结构阶次的二维材料提供了一种新策略。相关工作以题为“Space-Confined Synthesis of Monolayer Graphdiyne in MXene Interlayer”的研究性文章发表在Advanced Materials。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202308429

图 1. 在 MXene 中生长 GDY 单层。(a) 在 MXene 层间空间生长 GDY 单层的过程示意图。 (b) MAX、MXene、HEB-夹层 MXene（HEB-MXene）和 GDY-MXene 的实验 PXRD 图。(c-e）MAX（c）、MXene（d）和 GDY-MXene（e）沿[110]区轴采集的原子分辨率HAADF-STEM（上图）和 iDPC-STEM（下图）图像。插图为相应的结构模型。(f）GDY-MXene 的放大iDPC-STEM 图像。箭头表示生长在 MXene 层间空间的 GDY 单层。(g）从（c）、（d）和（e）中标记区域提取的图像强度曲线。标注了已识别列的原子类型，揭示了三种材料截然不同的层间结构。

图 2. GDY-MXene 的光谱和结构特征。 (a) GDY-MXene 沿着[110]区轴线的结构模型（左）和环形暗场-STEM 图像（右）。 (b) 从 GDY-MXene 的Ti3C2Tx 层（上）和层间空间（下）收集的 C-K 边EELS 光谱，如 (a) 所示。(c)根据从(a)中所示区域收集的 C-K 边沿（285.5-287.5 eV）EELS 光谱绘制的元素图（左）和强度曲线（右），表明层间空间的碳含量较高。(d) MXene 和 GDY-MXene 的拉曼光谱。左侧插图是使用聚焦离子束蚀刻 GDY-MXene 晶体以暴露内部结构的光学显微镜图像。(e) MXene 和 GDY-MXene 的高分辨率 C1s XPS 光谱。(f) GDY-MXene 的 SAED 图样，显示出两组六方晶格，可根据 30°取向关系将其归类为 MXene 和 GDY 结构。

图 3. 独立 ML-GDY 的制备和表征。(a)通过离子插层辅助剥离法从 GDY-MXene 制备独立 ML-GDY 的示意图。(b) 剥离的 GDY-MXene 粉末的原子力显微镜图像，显示不同厚度的片状混合物。(c)(b)中四个标记薄片的原子力显微镜高度曲线。(d)ML-GDY 和 Ti3C2Tx 单层薄片（使用原子力显微镜预先识别）的拉曼光谱。(e)基于 2120 至 2230 cm-1 信号的 ML-GDY 薄片拉曼强度图。插图为相应的原子力显微镜图像。所示的 0.61 nm 高度与剖面图中的最低值相对应。(f）独立 ML-GDY 的 TEM 图像和SAED 图案（插图）。

图 4. ML-GDY 场效应晶体管的制造和测量。(a) ML-GDY FET 器件的结构示意图。(左上插图是器件的顶视 SEM 图像，右下插图是器件的横截面 HAADF-STEM 图像。(c) ML-GDY 的电导率和电阻（插图）与温度的反函数关系。 (d) ML-GDY FET 在 Vds= 0.05 V 时的传输特性曲线。插图显示了ML-GDY FET 在 -20 至 20 V 的不同 Vg下记录的输出特性曲线。

具有明确结构的高质量材料为可靠的机理和性能研究奠定了基础。尽管开展了大量研究工作，但结晶单层 GDY 的合成仍然是一项巨大挑战，阻碍了其应用的发展。本研究证明了可以利用 MXene中有限的层间空间来促进 GDY 的二维生长并避免垂直堆叠。通过结合衍射、原子分辨率成像和光谱表征，本研究充分证明了有序 GDY 单层在整个 MXene 晶体中的高效生成。通过离子插层辅助液相法，从 GDY-MXene 复合材料中获得了具有微米级横向尺寸的独立 ML-GDY 薄片，并验证了其保留的面内周期性和单原子厚度。独立的 ML-GDY 可以制造出前所未有的 ML-GDY 场效应晶体管。根据场效应管测量结果，制备的 ML-GDY 表现为 p 型半导体，在室温下表现出 231.4 cm2 V-1s-1 的平均载流子迁移率和 5.1×103S m-1 的电导率，优于之前报道的各种多层 GDY 材料。这项工作中开发的合成策略代表了一条制造单层二维结构的新途径，而传统的合成方法并不可行。（文：SSC）

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