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！- 大数跨境

两江科技评论

2020-01-09

导读：南大高力波教授课题组在二维碳材料生长领域取得突破，制备出超平滑的石墨烯薄膜；南科大林君浩副教授课题组在材料微观结构研究领域取得重要进展，首次准确测定了单层非晶碳材料的原子结构。

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。

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。

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。

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

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。