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研究进展 | 自支撑单层非晶碳的合成与性能

2020-04-16

非晶态材料具有常规晶体材料不具备的优异物理与化学特性,应用价值巨大。例如,非晶态的二氧化硅作为高介电材料在半导体行业中应用广泛。然而,相比于晶体材料,由于至今尚无任何有效的实验方法可以准确测定非晶态材料的原子结构,非晶态材料一直被认为是材料微观结构研究的“禁区”。目前,关于非晶材料结构的经典解释是Zachariasen在1932年基于玻璃提出的Z-CRN模型。该模型具有与晶体材料相同的键合单元,这些键合单元连续排列组成缺乏长程周期性的完全随机网状结构。近几十年来,Z-CRN模型利用晶格间距的径向分布函数作为实验证据被广泛用于解释非晶硅或非晶二氧化硅的结构。然而,研究者最近在非晶硅样品中发现1-2nm尺寸的晶粒,比例达到50%,因而提出微晶粒也可能广泛存在于非晶材料中,同时该微晶粒模型也能很好地解释此前非晶材料实验中得到的径向分布函数。然而,无论是Z-CRN模型还是微晶粒竞争模型都缺乏直接的实验证据,非晶态材料原子结构的真面目仍然未能揭开。

以南方科技大学物理系林君浩课题组与新加坡国立大学物理系?ZYILMAZ教授课题组为核心的国际合作小组在非晶态材料中取得关键性突破。他们成功在低维极限下合成出单层非晶碳材料,并首次在原子尺度下准确测定了该单层非晶碳材料的原子结构,在实空间下计算出其长程无序性的径向分布函数,准确地揭示了在低维极限下,非晶态材料微符合微晶粒竞争模型,为争论了数十年的无定型材料的原子结构提供了直接证据(图a)。同时,有别于过往结构不明的非晶材料,该单层非晶碳材料的物理性能得到了明确的测定与物理解释。其中该单层非晶碳样品具有良好的力学稳定性,即使变形至较高的断裂强度(22 N/m)也不会从断裂点处扩展出裂纹(图c),同时其面内电阻达到100 GΩ,与CVD生长的氮化硼相似(图b),表现出良好的绝缘性能。由于其面内丰富的缺陷和多样的原子圆环孔径,后期工作也表明该新型材料在选择性分子交换和离子渗透应用中展现出比常规二维材料高几个数量级的性能。

图:(a)单层非晶碳的精确原子结构。红色,蓝色为五元,七元环,紫色,绿色为不能构成晶格与构成碎片晶格的六元环。与纳米晶石墨烯相比,展现出及其不同的结构特性,晶界与晶畴已经难以界定。衍射图像确定其大范围的长程无序性。(b,c)单层非晶碳材料的优异力学性能和电学性能。

该工作首次生长出大尺寸、自支撑的、能够稳定存在的单层非晶碳薄膜,丰富了以石墨烯为首的二维材料家族。该新型低维非晶材料有望在复合抗腐蚀涂层,柔性电子电路器件,超薄大规模集成电路与高密度能源存储等应用中发挥重要作用。同时,该工作发展出直接测定单层非晶碳材料性能与结构的方法,有望开辟低维非晶材料在半导体行业应用的研究热潮,引领半导体行业非晶材料的技术升级。

详情请点击论文链接: https://www.nature.com/articles/s41586-019-1871-2

(来源:《半导体学报》微信公众号



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