两篇Nature来相遇:一篇来自南京大学,一篇破解半个多世纪争议!
小纳米 纳米人 2020-01-12

如果从材料来看人类历史的发展,大抵经过了石器时代、青铜器时代、铁器时代。如今,硅时代主导人类社会,而碳时代正在来临。富勒烯、碳纳米管、石墨烯、C18等新兴碳纳米材料层出不穷。

 

今天,Nature杂志在线发表两篇碳材料最新研究成果,为碳材料的发展提供了新的动力。一篇来自南京大学高力波教授团队,发展了一种超平滑石墨烯薄膜的CVD制备方法;另一篇来自新加坡国立大学Barbaros Özyilmaz教授团队,首次在原子尺度解析了单层无定形二维碳材料的结构。

 

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第一作者:Guowen Yuan

通讯作者:Libo Gao

通讯单位:南京大学

 

CVD是生长高品质石墨烯的重要方法,已经发展了十年之久。问题在于,石墨烯与生长基地之间结合牢固,导致往往不可避免地产生大量褶皱,极大地影响了石墨烯的最终应用效果。那么,这些褶皱到底对石墨烯性能有多大影响?能否做出没有褶皱的石墨烯呢?

 

2020年1月9日,南京大学高力波教授课题组给出了肯定的回答。他们采用一种质子辅助的CVD方法,实现了无褶皱的超平滑石墨烯薄膜的制备。通过质子的渗透和复合形成氢,也可以减少传统CVD策略中石墨烯的褶皱。由于范德华相互作用的耦合,以及和生长表面之间的距离,很多褶皱都消失不见。

 

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图1. 生长原理示意图

 

由此生长得到的超平滑石墨烯电子能带结构表现出V形的狄拉克锥和线性色散,从而证明了石墨烯与基底之间的去耦合作用。这种超平滑特性使得石墨烯通过湿法转移后,保持清洁的表面,保留其固有性能,并有望用于其他二维材料的制备中,为二维材料的制备提供了新的解决方案。

 

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 图2. 材料表征

 

参考文献:

GuowenYuan Proton-assisted growth of ultra-flat graphene films. Nature 2020, 577, 204–208.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1870-3


 

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第一作者:Chee-Tat Toh, Hongji Zhang

通讯作者:Barbaros Özyilmaz

通讯单位:新加坡国立大学

 

晶态材料和非晶态材料到底有什么区别?早在1932年,Zachariasen提出Z-CRN模型,认为无定形材料与其晶体类似物包含相同的键合单元,但这些单元形成连续的随机网络(Z-CRN)而不是周期性结构。

 

而另一种模型,竞争模型认为,无定形材料与其晶体类似物的内部原子结构完全不用,非晶材料中也存在晶界分隔的纳米级晶粒。过去数十年来,Z-CRN模型占据主流,但是两种模型的争议并未解决。这主要是因为,非晶态材料的原子尺度表征,长期以来就是一个棘手的问题。

 

2020年1月9日,新加坡国立大学Barbaros Özyilmaz教授团队及其合作者,首次在原子尺度解析了单层无定形二维碳材料的结构,发现其更支持竞争模型。研究人员通过激光辅助低温CVD策略制备出厘米级自支撑的单层非晶态二维碳,发现其拓扑结构与石墨烯并不一样。通过拉曼光谱、透射电镜等精确表征,研究人员发现材料内部完全没有长程周期性,并观察到键长、键角尺寸不一,并伴随大量五元环、六元环、七元环、八元环等等,环分布并不遵循Z-CRN规则,更倾向于竞争模型。

 

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图3. 非晶态单层碳材料原子分辨率成像

 

通过理论计算,研究人员发现这种非晶态单层碳材料并不导电,电阻率接近CVD生长得到的BN纳米材料。而且,这种材料极具稳定性,并未发生断裂,将在磁性记录器件和柔性电子设备等领域具有潜在应用。

 

 

顺便说一句,做了这么多年石墨烯,你真的清楚单层石墨烯和单层无定形碳的区别吗?


参考文献:

Chee-TatToh et al. Synthesis and properties of free-standing monolayer amorphous carbon.Nature 2020, 577, 199–203.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1871-2

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