【科技日報】我科學家提出元素碳的一種新結構

最近，中科院研究生院教授蘇剛及其博士生勝獻雷等人基於密度泛函第一性原理研究，設計提出了元素碳的一種新結構，該結構被命名為T型碳（T-carbon）。相關研究結果近日發表在國際著名期刊《物理評論快報》上。

碳是地球上組成生命的最基本元素之一，可以形成sp3、sp2和sp雜化化學鍵，具有很強的結合能力，可與其他元素結合成不計其數的無機和有機化合物，構成了豐富多彩的世界。在自然界，碳一般具有三種同素異形體：石墨、金剛石和無定形碳。

蘇剛等人提出，如果將立方金剛石結構中每個原子用一個碳的正四面體來替代，將會形成碳的一種新型三維立方晶體結構。他們基於密度泛函的第一性原理研究，發現這種結構在幾何、能量以及動力學上都是穩定的，並命名該同素異形體為T-carbon。研究表明，T-carbon具有與金剛石相同的空間群，是一種具有直接帶隙的半導體，帶隙在3eV左右，並可通過摻雜來調控帶隙大小以適用於光催化；其價電子形成了各向異性的sp3雜化鍵。T-carbon的維氏硬度為61.1GPa，與立方氮化硼的硬度相當，比金剛石的硬度小1/3左右，具有非常低的密度，僅為每立方釐米1.5克。與碳的其他同素異形體比較，T-carbon沿特定方向上的原子間距比較大，每個原子體積是金剛石的兩倍多、石墨的1.5倍；其體彈性模量是金剛石的36%、石墨的57%；其原子間空隙較大，非常有利於做儲能材料。由於上述獨特的性能，T-carbon一旦實驗上被獲得，將會在光催化、吸附、儲氫、航空航天材料等領域有潛在的廣泛應用。進一步的研究顯示，T-carbon也有可能在宇宙星際塵埃或太陽系外行星中被觀察到。

該項工作得到了國家自然科學基金委和中科院的支持。

（原載於《科技日報》2011年04月27日第01版）