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由于在三维结构中难以确定精确的原子位置，将非晶态固体的原子构型(特别是无序度(DOD))与性质相关联是材料科学和凝聚态物理学中长期存在的难题。为此，2D系统允许对所有原子进行直接成像，从而为谜题提供了洞察力。通过激光辅助沉积生长的非晶态单层碳(AMC)的直接成像已经解决了原子构型，支持玻璃固体的现代晶体观点，而不是随机网络理论。然而，原子尺度结构和宏观性质之间的因果关系仍然难以捉摸。
2023年3月1日，北京大学刘磊、陈基及中国科学院大学周武共同通讯在Nature在线发表题为“Disorder-tuned conductivity in amorphous monolayer carbon”的研究论文，该研究报告通过了不同的生长温度来调节AMC薄膜的DOD和电导率。
具体而言，热解阈值温度是生成具有中程阶数(MRO)的变距跳导电AMC的关键，而温度升高25℃会导致AMC失去MRO而变为电绝缘，片状电阻增加109倍。除了可以看到嵌入在连续随机网络中的高度扭曲的纳米晶体外，原子分辨率电子显微镜还显示了MRO的缺失/存在以及纳米晶体的温度依赖性密度，这两个顺序参数被提出来完全描述DOD。数值计算建立了电导率图作为这两个参数的函数，直接将微结构与电学性质联系起来。总之，该研究代表了在基本层面上理解非晶材料的结构-性能关系的重要一步，并为使用二维非晶材料的电子器件铺平了道路。
“微观结构决定性能”模型在解释和预测晶体材料的行为和有目的地操纵材料的性能方面非常成功。然而，除了精确定精确原子位置的挑战之外，3D玻璃材料在中短程排序中表现出相当不同的结构特征。此外，无序类型和DOD在温度、成分甚至加工历史方面表现出众所周知的复杂行为，严重阻碍了关键结构特征和宏观性能之间的因果联系。
图1.a: AMC生长机理示意图；b-h: 原子结构表征
在二维系统中，由于z方向上结构复杂性的降低，无形性的结构难题可以通过对所有原子的直接成像来潜在地解决。在二维空间中成功地逐个原子解析了玻璃单层二氧化硅和碳的结构。然而，要破译微观无序如何影响二维非晶材料的宏观性质，原子排列和性质的实际调整是先决条件，但仍然难以捉摸。该研究报道了通过简单地改变生长温度，化学气相沉积(CVD)合成具有不同DOD的AMC，使原子排列与电学性质的定量关联成为可能。
图2.a-f: AMC电学性质测量
具体而言，热解阈值温度是生成具有中程阶数(MRO)的变距跳导电AMC的关键，而温度升高25℃会导致AMC失去MRO而变为电绝缘，片状电阻增加109倍。除了可以看到嵌入在连续随机网络中的高度扭曲的纳米晶体外，原子分辨率电子显微镜还显示了MRO的缺失/存在以及纳米晶体的温度依赖性密度，这两个顺序参数被提出来完全描述DOD。数值计算建立了电导率图作为这两个参数的函数，直接将微结构与电学性质联系起来。总之，该研究代表了在基本层面上理解非晶材料的结构-性能关系的重要一步，并为使用二维非晶材料的电子器件铺平了道路。
图3.a-h: AMC构效关系理论计算模型
北京大学材料学院2018级博士生田慧丰、中国科学院大学2018级博士生马银行、北京大学材料学院2020级博士生李镇江、物理学院2020级本科生程谋阳和新加坡国立大学宁守琮博士为论文共同第一作者；北京大学材料学院刘磊研究员、中国科学院大学周武教授和北京大学物理学院陈基研究员为论文的通讯作者。主要的合作者包括北京大学王恩哥教授、裴坚教授、雷霆研究员，新加坡国立大学Stephen J. Pennycook教授，中国人民大学李茂枝教授，中国科学院物理研究所程智刚研究员，北京理工大学黄元教授，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场中心王钊胜研究员等。
上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等基金的支持。
参考消息
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05617-w
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