中國(guó)科學(xué)院大學(xué)教授周武、國(guó)家納米科學(xué)中心研究員裘曉輝與北京航空航天大學(xué)教授郭林、劉利民以及清華大學(xué)教授谷林等組成研究團(tuán)隊(duì)，發(fā)展了一種利用納米尺度二維限域模板進(jìn)行小分子聚合的液相合成策略，成功制備出氮元素?fù)诫s的單原子層非晶碳材料。9月25日，該研究成果在線發(fā)表于《自然》。
二維非晶碳是碳材料家族的一種新型同素異形體。與石墨烯的周期性蜂窩結(jié)構(gòu)不同，單原子層的非晶碳由五、六、七元碳環(huán)無(wú)序拼接而成。研究人員此前通過(guò)化學(xué)氣相沉積方法在非平衡條件下成功制備了該材料，并發(fā)現(xiàn)非晶結(jié)構(gòu)可顯著調(diào)控碳材料的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度等物理性能。
雖然化學(xué)氣相沉積被廣泛用于制備石墨烯及其衍生材料，但高溫條件不利于異質(zhì)原子在碳原子網(wǎng)絡(luò)中的穩(wěn)定摻雜。相比之下，液相聚合方法在高分子化學(xué)合成中被廣泛采用。該方法條件溫和、前驅(qū)體選擇多樣。然而，在液相聚合中，反應(yīng)中間體構(gòu)象多變且存在復(fù)雜的立體相互作用，因此使用液相聚合方法難以獲得具有二維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的產(chǎn)物。
新方法則利用層狀模板的限域作用，將自由基中間體的聚合過(guò)程限制在二維平面內(nèi)，最終形成了五、六、七元環(huán)共存的二維無(wú)序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
利用低電壓掃描透射電子顯微鏡技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)精確解析了碳原子和氮原子在二維非晶碳網(wǎng)絡(luò)中的分布，證實(shí)了氮原子成功嵌入碳原子組成的平面網(wǎng)絡(luò)中，并確認(rèn)了氮摻雜濃度可達(dá)9%。通過(guò)第一性原理計(jì)算，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步揭示了該材料的形成機(jī)制，發(fā)現(xiàn)受限空間中的化學(xué)反應(yīng)模式發(fā)生了顯著變化。光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)測(cè)試表明，該材料具有p型半導(dǎo)體特性，為研究原子摻雜對(duì)二維非晶碳材料電子局域化現(xiàn)象的影響提供了獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
研究人員認(rèn)為，這項(xiàng)工作在二維聚合物限域合成領(lǐng)域邁出了重要一步，為未來(lái)開(kāi)發(fā)性能優(yōu)越的二維非晶材料提供了新途徑。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07958-0
編輯：李華山
