Carbon：具有0.21 nm晶格条纹图案的碳纳米点的理论模型

背景介绍

自2004年首次报道以来，有关碳纳米点（CNDs）的科学论文已经发表了3万多篇。在研究CNDs的原子结构和纳米形态时，通常会使用X射线衍射（XRD）、拉曼散射光谱（RAMAN）、X射线光电子能谱（XPS）以及高分辨透射电子显微镜（HRTEM）这四种表征方法。CNDs的粉末XRD谱图（Cu Kα）通常在2θ角为18~28度范围内显示一个非常宽的衍射峰，这意味着在制备的混合物中存在一些原子结构接近石墨的有序层状纳米碳。RAMAN光谱显示两个宽的相互叠加的D带（~1345 cm⁻¹）和G带（~1585-1600 cm⁻¹），类似于具有涡层结构的缺陷态纳米石墨以及内部和边缘有大量缺陷的少层石墨烯。XPS峰的特定形状和位置提供了有关CNDs中碳、氧和氮等原子的杂化和局部环境的信息。许多已发表的研究表明，CNDs的XPS光谱与石墨和石墨烯的XPS光谱几乎相同。另外值得注意的是，在几乎所有关于CNDs纳米颗粒的HRTEM研究论文中，我们都可以发现其中一些具有近似球形纳米粒子特征、可以通过HRTEM直接观察到其具有规则晶格条纹图案。尽管通过这些表征方法可以获得大量有价值的信息，但是大部分CNDs的原子结构仍然不明确，而且缺乏适当的精度。在很多文献中，都报道观察到CNDs的晶格条纹具有0.21 nm的晶面间距，但TEM晶格条纹图案与sp²和sp³杂化碳原子比例之间的关系尚不清楚。因此，揭示这些0.21 nm晶格条纹图案的本质是使用HRTEM观察CNDs原子结构的必要步骤。

在以往CNDs的理论模拟中，完全忽略了这些0.21 nm晶格条纹图案的形成问题。标准建模通常侧重于模拟CNDs中光学活性的来源（发光中心）。CNDs的标准建模包括计算一些边缘具有或不具有光学活性中心的纳米石墨烯或在制备过程中源自一些苯环形成的芳香性分子的电子结构，这些计算与RAMAN光谱和 XPS 研究结果相吻合（或不相吻合）。需要注意的是，大量的 CNDs 理论模拟都忽略了 XRD中显示的某些层状石墨结构的存在，而这些结构的层间距小于块状（本体）石墨的层间距。

基于此，南京林业大学Danil W. Boukhvalov教授、俄罗斯Vladimir Yu. Osipov博士与安徽大学毕红教授合作，针对多个实验观察到的TEM图像中具有0.21 nm规则晶格条纹的CNDs建立了理论模型。基于对这些CNDs的结构和微观数据分析，他们提出了一种由AA堆叠且具有层间共价C-C键的少层石墨烯和表面官能团组成的模型体系。通过改变石墨烯层数、层间共价C-C键的断裂、空位的形成以及表面官能团的变化，对所构建体系的稳定性进行了评估。在此基础上，他们还进一步证明了这种CNDs的带隙依赖于所描述的条件，并讨论了该系统可能的构筑机理。

该研究成果以“A comprehensive model of carbon nanodots with 0.21 nm lattice fringes patterns”为题发表在最新一期Carbon 上。

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