分享本文至 E-mail 信箱

學術引用格式

MLA (點一下全選)

APA (點一下全選)

EndNote(.enw)

未來材料:藉拉扯改變導電的碳原子線

1-carbynemorph

Credit: Vasilii Artyukhov/Rice University

碳炔(carbyne, 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,可以藉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(relaxed state, 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。看到這裡,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,先別那麼快下結論!

根據派爾斯不穩定性理論(Peieris instability),一維的無限長分子串會傾向於變成一長一短的鍵結來降低總能。那為什麼還會說碳炔是等長的呢?原因在於分子並非處在ㄧ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「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(nuclei vibrational wavefunction)便可以腳踏兩條船,分佈在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(見下圖左)。

ZPV

不同長度的碳炔位能面示意圖(橫軸代表相鄰兩組碳碳之間的鍵長差)。藍線表示一組碳原子的位能面,紅線表示在該位能面下具有最低能量的原子振動波函數。左圖:當沒有施予碳炔張力時,原子間距較小,1:3和3:1兩種鍵結情況的能障不高,振動波函數可以分佈在兩個最低位能點的中間;右圖:當施予碳炔張力時,原子間距拉大,1:3和3:1兩種鍵結情況的能障變高,振動波函數無法分佈在中間。

大致了解碳炔與它的結構後,再讓我們看看最新的研究。

萊斯大學(Rice University)的Boris I. Yakobson團隊透過理論模擬來研究碳炔[1],他們將碳炔拉長後計算其導電性質。結果顯示,當碳炔被拉長,其碳碳鍵會趨向於變得不等長(因為1:3和3:1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,只能分佈在其中ㄧ種情形(見上圖右)),價電子帶到導電帶的能量間距(band gap)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,碳炔兩端怎麼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ㄧ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!

 

延伸閱讀:

參考資料:

  1. Nano Letterspubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl5017317

資料來源:Carbyne morphs when stretched: Calculations show carbon-atom chain would go metal to semiconductor [PHYS.ORG, July 21, 2014]

關於作者

昱夫

PanSci實習編輯~目前就讀台大化學所,研究電子與質子傳遞機制。微~蚊氫,在宅宅的實驗室生活中偶爾打點桌球,有時會在走廊上唱歌,最愛929。