近日，我院计算物理与量子能源材料设计团队纯理论计算在二维蜂窝状C₆₀超原子共价晶格设计方面取得重要进展。相关研究成果以“Fullerphene: A double covalently bonded two-dimensional fullerene semiconducting crystal with preserved Dirac states and emergent flat bands”为题，发表在国际顶级期刊《SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy》上。郑州大学为第一完成单位，论文第一作者为我院博士研究生朱艳迪，通讯作者为我院赵兴举副研究员、李顺方教授以及中国科学技术大学张振宇教授。

研究表明，C₆₀可通过范德华力或共价键构筑二维超原子晶格结构[Hou et al., Nature 606, 507 (2022); Meirzadeh et al., Nature 613, 71 (2023); Pan et al., Nature 614, 95 (2023)], 但同时保持C₆₀超原子特征和石墨烯晶格对称性的新型共价碳同素异形体尚未见报道。该研究团队通过融合零维富勒烯C₆₀与二维石墨烯的结构特性，提出并预测了一种全新的二维富勒石墨烯材料（fullerphene，简称FLP），展现出独特的电子性质和超越原有材料的新物性，标志着碳材料设计的一项重要突破。

基于第一性原理计算方法，研究发现FLP的高稳定性来源于C₆₀与其三个近邻C₆₀之间的66/66型[2+2]环加成共价键。团队进一步探索了稳定FLP的策略，并提出了在Cu(111)等衬底上选择性制备FLP的动力学路径。在电子结构方面，FLP是一种带隙约2 eV的半导体，同时兼具导带的狄拉克态和价带的平带特征。其中，狄拉克态源自石墨烯晶格对称性，而平带则由电荷在孤立C₆₀笼中的局域化引起。此外，研究还发现，由于C₆₀在形成共价键时产生拉伸应变，在六边形顶点形成赝三角形，使得FLP晶格体系的几何排布与Kagome晶格相似，从而使最低三条导带呈现出Kagome晶格的典型电子特征，如图1所示。

作为该纯理论预测工作的支撑，最近实验上已经在Au衬底上初步合成出具有蜂窝状六重对称性、以共价键链接的C₆₀超原子构筑的纳米“FLP种子”结构[Ding et al., Nat. Commun. 14, 6075 (2023)]。目前，该理论工作激发了多个实验课题组制备高质量、大面积单晶石墨型富勒烯（FLP）的研究。该研究为新型碳基材料的设计提供了重要理论借鉴，有望激发富勒烯基纳米结构的实验与理论研究热潮，推动其在半导体量子器件、光催化等前沿领域的应用探索。

该工作得到了国家自然科学基金区域创新联合基金重点项目、面上项目和青年基金的支持。

全文链接：https://www.sciengine.com/SCPMA/doi/10.1007/s11433-025-2739-x

图1. 通过以C₆₀超原子取代石墨烯中的碳原子所构筑的新型二维富勒石墨烯，不仅保留了石墨烯晶格的狄拉克态，还呈现出源自C₆₀分子的平带特征。