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新加坡国立大学的研究人员制造了世界上第一款原子级非晶碳薄膜。与晶体不同，这种非晶结构的原子间距离变化很大。这是由于平面碳网中的五~八元环的随机排列，导致了键长和键角的广泛分布。
据《自然》杂志1月8日报道，新加坡国立大学（NUS）的研究人员制造了世界上第一款单原子厚度的非晶材料。这种之前被认为不可能存在的单层非晶碳（MAC）的发现，有望终结数十年来科学家对原子在非晶固体中的确切排列方式的争论，并开辟潜在的应用前景。NUS材料科学与工程系主任Barbaros Özyilmaz教授为项目负责人，日本国家先进工业科学技术研究所（AIST）的Kazu Suenaga教授和中国南方科技大学（SUSTECH）的Junhao Lin教授完成了原子分辨率成像方面的工作，美国范德比尔特大学的Sokrates Pantelides教授负责了理论模拟研究。
Özyilmaz教授说：“MAC的发现首次证实，单原子层完全非晶材料是稳定和独立存在的。非晶材料虽然很重要，但从基础科学的角度来看，人类对它们的了解仍然非常有限。我们的研究有望为电池、半导体和功能膜的开发提供助力。”
在非晶材料领域，有两种对立的观点。有专家认为，非晶材料有可能具有完全无序的随机结构。另一些专家认为，非晶材料存在纳米级秩序，微小的晶体被随机的无序所包围。Özyilmaz教授等制造的MAC薄膜符合第二种观点。研究人员在薄膜中发现了纳米级六角形碳环，这些碳环出现了扭曲形变，但碳环间存在随机无序性。
MAC薄膜是用原子级非晶碳制造的。研究人员用激光将含碳前驱气体蒸发成“原子雾”，这种高活性、高能量的雾一旦接触到基材表面，就会形成MAC薄膜。尽管MAC薄膜具备无序化的原子结构，但它的性能却非常令人惊讶。
论文作者Toh Chee Tat博士说：“MAC具有一些与传统单层材料完全不同的特性。”例如，MAC薄膜可以“塑性变形”。这意味着它们可以被拉伸成不规则的形状，并维持该状态。
事实上，与其他纳米晶体材料相比，MAC的形变更具稳定性（甚至可以在穿孔、撕裂等情况下保持性能），这大大拓展了它的应用性。此外，MAC对基材并不挑剔，它可以在铜、金和不锈钢等多种基材上生长。
Özyilmaz教授解释说：“与传统二维晶体薄膜相比，MAC薄膜更耐低温，制造成本更低。激光辅助沉淀法是制造MAC薄膜的常用方法。利用此法，我们可以在多种基材上大批量制造大面积、无缺陷的单层膜。MAC薄膜作为一种潜在的低成本功能膜，有望在某些应用中成为石墨烯等二维晶体的替代品。”
目前，很多行业都对超薄阻隔膜有迫切的需求。然而，传统非晶薄膜达到超薄级别时，性能变得非常差，这无法满足工业需求。而MAC薄膜不仅达到了厚度极限，还具备良好的均匀性和可靠性。
接下来，Özyilmaz教授带领的多学科团队将对MAC薄膜的应用性展开研究，并寻求与工业伙伴的合作，加速单层非晶材料的商业化。
科界原创
编译：雷鑫宇
审稿：西莫
责编：张梦
期刊来源：《自然》
期刊编号：0028-0836
原文链接：
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-01/nuos-nsc010820.php
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