由日本的物質與材料研究機構（NIMS）尖端材料解析研究處Nano-Probe團隊的川井茂樹組長、Sun Kewei JSPS外國人特別研究員、國際奈米階層研究處松本道生獨立研究者、分子科學研究所解良聰教授、阿爾特大學（芬蘭）亞當·S·福斯特教授組成的國際共同研究團隊，透過在表面合成中導入新的化學反應，將通常僅由碳構成的苯環的一部分置換爲了同族元素硅，在全球首次成功合成了二維共價鍵合性有機結構（COF）膜。這種新的COF膜不是透過一般的化學合成方法，而是利用金屬表面的化學反應實施的，揭示了使用表面合成來開發新材料的可能性。相關成果已刊登在《Nature Chemistry》上。
圖1本研究開發的表面化學反應。（提供：NIMS）
圖2 本研究合成的含有硅的COF膜示意圖。Br:溴原子（紅球）、Si:硅原子（紫球）、碳原子（黑球）、氫原子（白球）、金原子基底層（金球）。（提供：NIMS）
具有奈米級孔的COF膜有望廣泛應用於電池材料、觸媒，甚至小分子的分離等領域。但是，用於形成COF結構的鍵合類型有限。如果將新型鍵合導入COF，將有助於創造新功能及提高電子物性，因此開發新的合成技術是重要的研究課題。特別是如果能實施將通常僅由碳構成的苯環的一部分用半導體元件的主要成分硅來置換的話，形成二維共價鍵合性有機結構體，那麼，便可利用其作爲同族元素的類似性，將硅的特徵性化學特性帶入COF中。然而，此前一直未能成功合成導入了硅的COF膜。
此次研究團隊沒有使用導入硅的前驅物分子，而是開發了一種新的合成方法，在蒸鍍了硅原子的金屬表面上，對導入了溴原子的分子進行表面化學反應。由此，將苯環的碳中的2個位置置換爲了硅，在將1,4-二硅苯環作爲鍵合部位的COF膜及長方形結構的石墨烯奈米帶的表面合成上獲得了成功。
研究團隊用可以直接觀察分子骨架的掃瞄探針顯微鏡鑑定了其結構，並用掃描隧道光譜闡明瞭其電特性。此外還發現透過加熱，6元環的1,4-二四氫化矽苯環會變形爲5元環的四氫化矽環。
研究團隊透過密度泛函理論（DFT）計算及高解析度X射線光電子能譜獲得的結果，結合探針顯微鏡的實驗結果，明確了詳細結構、電子狀態及化學狀態。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Nature Chemistry
論文：On-surface synthesis of disilabenzene-bridged covalent organic frameworks
DOI：10.1038/s41557-022-01071-3
