研究人员揭示二维无定形碳的结构

中科院合肥物质科学研究院(HFIPS)稳态强磁场实验装置(SHMFF)用户北京大学刘磊教授课题组与HFIPS王兆生研究员等合作者,通过研究无定形单层碳(AMC)首次揭示了二维(2D)无定形材料的结构-性能关系。该研究发表在《自然》杂志上。

“微观结构决定特性”范式在解释和预测晶体材料的行为以及有意操纵材料特性方面取得了惊人的成功。在非晶材料中，原子排列无长程有序，无法直接观察到内部原子，导致其三维原子结构存在困惑，原子尺度结构与性能之间的关系尚不明确。无定形结构无序的研究和表征是材料科学和凝聚态物理学中长期存在的难题。

针对这一问题，研究人员利用“二维材料的原子全部暴露在表面，可以精确分析其位置”的特性，解析非晶材料的原子结构。

他们以环状芳香族分子为前体，采用化学气相沉积法。选择金属衬底的温度作为主要控制参数，以精确控制前驱体的热裂解程度和不同无序度(DOD)的AMC的生长。

此外，电子衍射和扫描透射电子显微镜技术被用来揭示AMC的原子结构，并系统地分析了AMC中中程有序(MRO)差异和原子结构的温度依赖性特征。

在AMC的电学测量中，研究人员发现了一个高度依赖于温度的特性：在低温(275-300℃)下，由于AMC-275/300中的MRO较弱，AMC表现出高导电性，而在325℃下获得的样品则变得绝缘。

此外，Rs在较高温度下与生长温度呈负相关。最后，研究人员实现了超过九个数量级的AMC电导率的连续可调性。使用SHMFF进行的可变温度霍尔测量为了解AMC样品的电导率行为提供了重要的见解。

利用密度泛函理论计算和蒙特卡罗模拟，研究人员将二维非晶碳的原子结构和电学性质相关联，揭示了AMC电导率差异的微观机制。他们引入了一个新的结构有序参数——导电位点的平均密度——并结合中间范围的有序绘制了“微观结构-宏观电性能”相图。

这些发现还显示了非晶态材料中DOD的复杂性，这不能仅通过MRO来描述。

这项工作代表了非晶材料中第一个精确的结构-性质关系，为二维材料、非晶材料物理和应用领域提供了新思路。