由日本的物质与材料研究机构（NIMS）尖端材料解析研究处Nano-Probe团队的川井茂树组长、Sun Kewei JSPS外国人特别研究员、国际纳米体系研究处松本道生独立研究者、分子科学研究所解良聪教授、阿尔特大学（芬兰）亚当·S·福斯特教授组成的国际共同研究团队，通过在表面合成中导入新的化学反应，将通常仅由碳构成的苯环的一部分置换为了同族元素硅，在全球首次成功合成了二维共价键合性有机结构（COF）膜。这种新的COF膜不是通过一般的化学合成方法，而是利用金属表面的化学反应实现的，揭示了使用表面合成来开发新材料的可能性。相关成果已刊登在《Nature Chemistry》上。
图1本研究开发的表面化学反应。（提供：NIMS）
图2 本研究合成的含有硅的COF膜示意图。Br:溴原子（红球）、Si:硅原子（紫球）、碳原子（黑球）、氢原子（白球）、金原子基板（金球）。（提供：NIMS）
具有纳米级孔隙的COF膜有望广泛应用于电池材料、催化剂，甚至小分子的分离等领域。但是，用于形成COF结构的键合类型有限。如果将新型键合导入COF，将有助于创造新功能及提高电子物性，因此开发新的合成技术是重要的研究课题。特别是如果能实现将通常仅由碳构成的苯环的一部分用半导体元件的主要成分硅来置换的话，形成二维共价键合性有机结构体，那么，便可利用其作为同族元素的类似性，将硅的特征性化学特性带入COF中。然而，此前一直未能成功合成导入了硅的COF膜。
此次研究团队没有使用导入硅的前体分子，而是开发了一种新的合成方法，在蒸镀了硅原子的金属表面上，对导入了溴原子的分子进行表面化学反应。由此，将苯环的碳中的2个位置置换为了硅，在将1,4-二硅苯环作为键合部位的COF膜及长方形结构的石墨烯纳米带的表面合成上获得了成功。
研究团队用可以直接观察分子骨架的扫描探针显微镜鉴定了其结构，并用扫描隧道光谱阐明了其电特性。此外还发现通过加热，6元环的1,4-二硅烷苯环会变形为5元环的硅烷环。
研究团队通过密度泛函理论（DFT）计算及高分辨率X射线光电子能谱获得的结果，结合探针显微镜的实验结果，明确了详细结构、电子状态及化学状态。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Nature Chemistry
论文：On-surface synthesis of disilabenzene-bridged covalent organic frameworks
DOI：10.1038/s41557-022-01071-3
