许维课题组在聚乙炔链的表面合成和表征方面取得重要进展

wenzi

2019年9月2日，国际著名学术期刊《自然·化学》（Nature Chemistry）在线发表了同济大学许维教授课题组与瑞士Empa研究所Roman Fasel教授课题组等关于聚乙炔链在表面原子级精准制备、表征及电子学性质测量方面取得的重要进展。研究成果发表时以“On-surface synthesis and characterization of individual polyacetylene chains”为题（论文链接https://www.nature.com/articles/s41557-019-0316-8）。


聚乙炔是由sp2杂化的碳原子形成的一维链状结构，是最早被研究的一类导电高分子聚合物，它具有相对简单的化学结构，根据碳原子不同的排列，有顺式和反式两种基本构型。由于其简单的化学结构以及丰富的电子学性质，聚乙炔成为研究一维导电聚合物电荷传输性质的理想体系。白川英树、艾伦·黑格和艾伦·麦克迪尔米德三位科学家通过对聚乙炔的研究，因“发现和发展导电聚合物”获得了2000年的诺贝尔化学奖。此外，基于对聚乙炔的研究而发展起来的SSH 模型在解释一维材料的电子学以及拓扑学性质等方面也起着十分重要的作用。然而，到目前为止，对于聚乙炔本征电子学特性的深入理解仍然受限于材料的原子级精准制备和表征。

许维课题组与Roman Fasel课题组利用表面化学方法，以乙炔为前驱体分子，在超高真空环境下在铜（110）表面制备出顺式和反式单根聚乙炔链，通过扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）高分辨成像手段对其化学结构进行了原子尺度精细表征，并通过扫描隧道谱（dI/dV）、角分辨光电子能谱（ARPES）谱学方法结合理论计算对吸附在铜表面及氧化铜表面的反式聚乙炔链的电子学性质进行了研究。实验表明，由于聚乙炔与铜衬底间较强的相互作用，聚乙炔被掺杂了电子并展现出金属性。此外，通过在铜表面和聚乙炔界面处形成单层氧化铜，有效地隔断了两者之间的相互作用，使吸附在氧化铜层上的聚乙炔展现出本征的半导体性（~ 2.4 eV的能量带隙）。该研究为进一步实空间探索聚乙炔的本征物理特性如孤子态提供了可能。


Nature Chemistry是著名学术期刊Nature的子刊，是一个专门发表介绍化学所有领域最重要、最尖端研究工作的高质量论文的月刊。


许维，1981年生于天津，理学博士，同济大学特聘教授，上海##计划特聘专家。2008年在丹麦奥胡斯大学物理系获得理学博士学位，随后在丹麦奥胡斯大学交叉学科纳米中心和美国宾夕法尼亚州立大学物理系和化学系从事博士后研究。2009年被聘为同济大学特聘教授加盟材料科学与工程学院。现为丹麦奥胡斯大学交叉学科纳米中心客座教授，同济-奥胡斯纳米结构与功能纳米材料联合研究中心常务副主任。上海市青联委员，上海市杨浦区青联副主席，上海市嘉定区青联委员，上海市嘉定区归联会副会长，同济大学知联会秘书长，同济大学侨联委员。
主要从事利用超高真空扫描隧道显微镜（UHV-STM）高分辨成像及精准的STM操纵技术并结合密度泛函理论（DFT）计算研究表面物理化学基础前沿课题，在表面分子可控自组装、表面原位化学反应、单分子操纵等方面进行了系统和深入的探索，取得了多项创新性成果。近五年作为通讯作者已在本领域权威期刊发表高水平论文30余篇，其中包括4篇JACS，5篇Angew. Chem. Int. Ed.，3篇ACS Nano以及13篇 Chem. Commun.。荣获丹麦自然科学院杰出博士奖 (2009)，教育部“新世纪优秀人才”支持计划 (2009)，上海市“浦江人才计划”(2011)，上海市“曙光计划”（曙光学者）(2011)，达沃斯论坛全球杰出青年 (2012)，上海市嘉定区“青年领军人才”(2012)。


聚乙炔（英语：polyacetylene，IUPAC名：polyethyne）是一种结构单元为(CH=CH)n的聚合物材料。这种聚合物经溴或碘掺杂之后导电性会提高到金属水平，这引起了研究者的兴趣。白川英树、艾伦·黑格和艾伦·麦克迪尔米德因“发现和发展导电聚合物”获得了2000年的诺贝尔化学奖。如今聚乙炔以用于制备太阳能电池、半导体材料和电活性聚合物等。
聚乙炔的成膜条件是：(1)使用均相催化体系；(2)高催化活性；G)较高的催化剂浓度；(4)较小的链转移速度从而得到较高的分子量； (5)适当的溶剂。典型的聚合方法是将直径约40mm的平底玻璃反应器多次抽空充氮后在高纯氮气流下加入1毫升甲苯，0.14ml(0.004m01)，Ti(OBu)4和0.22ml，0.016m01)A1ESa，经30分钟陈化后冷却至-70℃，真空排气。旋转反应器使催化剂溶液均匀地沾附在反应器壁上，然后迅速通入乙炔气体，此时反应器壁上立即生成一张红色的聚乙炔薄膜。所得的聚乙炔膜厚度可通过调节催化剂浓度、乙炔气压及聚合时间来控制。一般在上述催化剂浓度下，乙炔气压799.8X103Pa，聚合温度为-78℃，约经1-4小时，即可得到厚度为0.1mm左右的聚乙炔膜。抽去未反应完的乙炔气体以中止反应，并用甲苯将所得聚乙炔膜清洗至无色透明，真空干燥后待用。