碳的新结构探索一直是科学界重点关注的国际前沿研究。富勒烯C60、碳纳米管、石墨烯等新结构的发现，在物理、化学、材料、信息、能源等领域产生了重要影响，也因此获得了包括两项诺贝尔奖在内的国际大奖。T-carbon（又称T-碳）最初是苏刚研究团队（Phys. Rev. Lett. 106(15), 155703（2011））在理论上预言，随后被国内外同行分别利用不同方法成功合成（Nat. Commun. 8(1), 683 (2017)；Carbon 157, 270-276(2020)），成为碳的另一新结构，为碳家族增添了新成员（图1）。T-carbon自提出以来，引起了来自十多个国家研究人员的强烈兴趣，针对T-carbon的化学键、电子、力学、热电、激子效应、光学、拓扑等物性开展了广泛探索，取得了若干研究进展，发现在储氢、锂电池、太阳能电池、光催化、超导、宇宙尘埃等多个领域具有应用前景（图2）。
图1.碳家族成员
最近，我校苏刚研究团队以“T-carbon: Experiments, properties, potential applications and derivatives”为题发表了关于T-carbon的长篇综述论文[Nano Today 42 (2021) 101346]。该论文对T-carbon的实验和理论研究进展，特别是存储、光电、热电、拓扑物态等方面的有趣性质和各种潜在应用以及多种基于T-carbon的衍生结构等进行了全面回顾和综述。由于掺杂是改变材料电子结构、获得新结构或新物相的有效途径，文中还讨论了不同原子掺杂的T-carbon，发现它们表现出了更有趣的性质，在太阳能电池、光催化、磁性、超导等方面具有重要应用。此外，氢化的 T-carbon分子被发现可能与半个世纪以来的未解之谜——星际介质中紫外消光峰的物理起源有关。文章最后针对T-carbon的发展前景和挑战提出了可能的研究方向。
图2.T-carbon的新奇物性及应用
2017年，通过特定频率的皮秒激光照射溶解在甲醇溶液中的多壁碳纳米管，实验成功合成了T-carbon纳米线。随后另一实验组利用等离子体增强化学气相沉积方法分别在多晶金刚石和单晶金刚石衬底上成功制备出了T-carbon。研究发现，T-carbon的化学键均为sp3键，但其成键方式非常不同于传统的碳结构。由于独特的晶格结构和成键环境，T-carbon晶体在拉伸应变下通过全局石墨化的方式表现出独特且出色的延展性，具有极高的失效应变和力学各向异性。作为一种潜在的热电材料，T-carbon的Seebeck系数可高达2000 V/K，高于许多常规热电材料，同时其热电性质还可通过应力和掺杂等多种方式改善。T-carbon能吸收可见光范围的光，吸收系数与GaAs的最大值相当。在高达9GPa压强下T-carbon依旧保持半导体特性，且压强能对带隙进行有效调节。T-carbon的电声散射使得电子和空穴有不同的弛豫寿命和自由程。T-carbon的光吸收谱上还显示出有多个明暗激子存在，其相对位置影响其光致发光等物理特性。另外，拓扑I型、Ⅱ型外尔声子和拓扑平衡环声子可以同时出现在T-carbon中，其拓扑表面态与体声子谱可以很好地分离。
T-carbon独特的结构和性质使得它在存储、光催化、超导、吸附、宇宙尘埃等领域具有潜在应用。计算发现T-carbon的储氢容量可达7.7wt%左右，与一些高容量储氢材料相比也具有较强的竞争力。与石墨相比，T-carbon具有更高的Li（Na、K和Mg）的体积比容量和更高的扩散常数，这使得其非常适合作为电池的负极材料。与常用的太阳能电池材料相比，更快的电子注入效率和更高的载流子迁移率使得T-carbon在太阳能电池中也具有良好的潜力。插层和掺杂是优化材料电子结构以及获得新结构或新物相的有效方法，不同原子掺杂下的T-carbon也表现出了许多有趣特性。例如，Pb掺杂的T-carbon具有合适的光催化带隙，在可见光区域显示出良好的光吸收性质；Na掺杂的T-carbon被认为是声子介导的超导体，且其正常态表现出类似反常金属的输运行为；Ni掺杂的T-carbon是半金属铁磁体；B和Al共掺杂可实现T-carbon从直接带隙半导体转变为导电性能良好的金属；同时，Al掺杂的T-carbon在光电和微电子器件中表现出优良的潜在应用价值。用N原子替代T-carbon中的部分C原子可获得新型稳定的碳氮化物T-C3N，其单层薄膜在废水处理和海水淡化方面具有较大的应用潜力。氢化的T-carbon分子被发现可能与半个世纪以来的未解之谜——星际介质中紫外线消光特征的物理起源有关。此外，受T-carbon结构和性质的启发，许多其它衍生的新型碳材料和硼、硅、铝等新结构也被相继提出。
针对T-carbon的研究已经取得一系列重要进展，未来研究一方面需要继续探索实现T-carbon量产的新方法和新技术，另一方面还需加强研究T-carbon的新物性和其在能源、材料和信息等领域的可能应用，如热电、储能、锂电池、光电、催化、超级电容器、超导、磁性等。
该论文的共同第一作者是我校博士生易鑫伟、张珍和廖正伟，通讯作者为新加坡国立大学尤景阳博士和我校苏刚教授。这项工作得到了国家重点研发计划、中科院和基金委的支持。
