氮摻雜單原子層非晶碳的可控液相合成方法獲揭示

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構不同，單原子層的非晶碳由五、六、七元碳環無序拼接而成。研究人員此前通過化學氣相沉積方法在非平衡條件下成功制備了該材料，并發現非晶結構可顯著調控碳材料的導電性和機械強度等物理性能。

雖然化學氣相沉積被廣泛用于制備石墨烯及其衍生材料，但其高溫條件不利于異質原子在碳原子網絡中的穩定摻雜。相比之下，液相聚合方法在高分子化學合成被廣泛采用，該方法條件溫和，前驅體選擇多樣。然而，在液相聚合中，反應中間體構象多變且存在復雜的立體相互作用，因此使用液相聚合法難以獲得具有二維拓撲結構的產物。

為此，中國科學院大學教授周武、國家納米科學中心研究員裘曉輝與北京航空航天大學教授郭林、教授劉利民、清華大學教授谷林等組成的研究團隊發展了一種利用納米尺度二維限域模板進行小分子聚合的液相合成策略，成功制備了氮元素摻雜的單原子層非晶碳材料。該方法利用層狀模板的限域作用，將自由基中間體的聚合過程限制在二維平面內，最終形成了五、六、七元環共存的二維無序網絡結構。9月25日，該研究成果在線發表于《自然》。

氮摻雜單原子層非晶碳材料的原子尺度結構分析及氮原子的化學成像分析。中國科學院大學供圖

利用低電壓掃描透射電子顯微鏡技術，研究團隊精確解析了碳原子和氮原子在二維非晶碳網絡中的分布，證實了氮原子成功嵌入碳原子組成的平面網絡中，并確認了氮摻雜濃度可達9%。通過第一性原理計算，研究團隊進一步揭示了該材料的形成機制，發現受限空間中的化學反應模式發生了顯著變化。光學和電學性質測試表明，該材料具有p型半導體特性，為研究原子摻雜對二維非晶碳材料的電子局域化現象的影響提供了獨特的實驗平臺。該項工作在二維聚合物限域合成領域邁出了重要一步，為未來開發性能優越的二維非晶材料提供了新途徑。

該工作得到了中國科學院戰略性先導科技專項（B類）、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊項目、中國科學院大學電子顯微學實驗室、國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京高校卓越青年科學家計劃等項基金的支持。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07958-0