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研究進展 | 自支撐單層非晶碳的合成與性能

2020-04-16

非晶態材料具有常規晶體材料不具備的優異物理與化學特性,應用價值巨大。例如,非晶態的二氧化硅作為高介電材料在半導體行業中應用廣泛。然而,相比于晶體材料,由于至今尚無任何有效的實驗方法可以準確測定非晶態材料的原子結構,非晶態材料一直被認為是材料微觀結構研究的“禁區”。目前,關于非晶材料結構的經典解釋是Zachariasen在1932年基于玻璃提出的Z-CRN模型。該模型具有與晶體材料相同的鍵合單元,這些鍵合單元連續排列組成缺乏長程周期性的完全隨機網狀結構。近幾十年來,Z-CRN模型利用晶格間距的徑向分布函數作為實驗證據被廣泛用于解釋非晶硅或非晶二氧化硅的結構。然而,研究者最近在非晶硅樣品中發現1-2nm尺寸的晶粒,比例達到50%,因而提出微晶粒也可能廣泛存在于非晶材料中,同時該微晶粒模型也能很好地解釋此前非晶材料實驗中得到的徑向分布函數。然而,無論是Z-CRN模型還是微晶粒競爭模型都缺乏直接的實驗證據,非晶態材料原子結構的真面目仍然未能揭開。

以南方科技大學物理系林君浩課題組與新加坡國立大學物理系?ZYILMAZ教授課題組為核心的國際合作小組在非晶態材料中取得關鍵性突破。他們成功在低維極限下合成出單層非晶碳材料,并首次在原子尺度下準確測定了該單層非晶碳材料的原子結構,在實空間下計算出其長程無序性的徑向分布函數,準確地揭示了在低維極限下,非晶態材料微符合微晶粒競爭模型,為爭論了數十年的無定型材料的原子結構提供了直接證據(圖a)。同時,有別于過往結構不明的非晶材料,該單層非晶碳材料的物理性能得到了明確的測定與物理解釋。其中該單層非晶碳樣品具有良好的力學穩定性,即使變形至較高的斷裂強度(22 N/m)也不會從斷裂點處擴展出裂紋(圖c),同時其面內電阻達到100 GΩ,與CVD生長的氮化硼相似(圖b),表現出良好的絕緣性能。由于其面內豐富的缺陷和多樣的原子圓環孔徑,后期工作也表明該新型材料在選擇性分子交換和離子滲透應用中展現出比常規二維材料高幾個數量級的性能。

圖:(a)單層非晶碳的精確原子結構。紅色,藍色為五元,七元環,紫色,綠色為不能構成晶格與構成碎片晶格的六元環。與納米晶石墨烯相比,展現出及其不同的結構特性,晶界與晶疇已經難以界定。衍射圖像確定其大范圍的長程無序性。(b,c)單層非晶碳材料的優異力學性能和電學性能。

該工作首次生長出大尺寸、自支撐的、能夠穩定存在的單層非晶碳薄膜,豐富了以石墨烯為首的二維材料家族。該新型低維非晶材料有望在復合抗腐蝕涂層,柔性電子電路器件,超薄大規模集成電路與高密度能源存儲等應用中發揮重要作用。同時,該工作發展出直接測定單層非晶碳材料性能與結構的方法,有望開辟低維非晶材料在半導體行業應用的研究熱潮,引領半導體行業非晶材料的技術升級。

詳情請點擊論文鏈接: https://www.nature.com/articles/s41586-019-1871-2

(來源:《半導體學報》微信公眾號



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