科学通报|氮掺杂单原子层非晶碳

摘要：非晶材料，因其短程有序长程无序及各向同性的特点，展现出不同于晶体材料的物理化学特性、均匀性和良好的加工性能，在先进制造、电子信息等关键技术领域得到了广泛应用。与晶体材料的周期性原子排列不同，非晶材料的无序结构使其结构和性质难以解析和调控，限制了材料的理性设计与

非晶材料，因其短程有序长程无序及各向同性的特点，展现出不同于晶体材料的物理化学特性、均匀性和良好的加工性能，在先进制造、电子信息等关键技术领域得到了广泛应用。与晶体材料的周期性原子排列不同，非晶材料的无序结构使其结构和性质难以解析和调控，限制了材料的理性设计与性能优化。

早在1932年，芝加哥大学W.H. Zachariasen教授提出了“连续随机网络（Continuous random networks）”模型，利用二维网络结构来描述非晶材料的独特结构特征[1]。1995年，诺贝尔物理学奖得主P. W. Anderson[2]在Science撰文指出，非晶材料的本质和形成机理是凝聚态物理领域最深刻和有趣的问题。随后，1996年美国科学院院士Steven G. Louie[3]在Physical Review B发表文章，预测二维非晶碳材料可能包含复杂的五元环和七元环结构。然而，如何精准地合成这类独特的单原子层非晶材料是一个挑战性课题。

尽管化学气相沉积被广泛用于制备石墨烯等二维碳材料，但其高温条件不利于异质原子在碳原子网络中的稳定掺杂[4]。相比之下，液相聚合方法由于反应条件温和、前驱体选择多样性，被广泛应用于高分子化学合成。然而，由于液相聚合过程中反应中间体构象多变、立体相互作用复杂，利用该方法难以精准获得具有二维拓扑结构的产物，亟需新的技术突破。

近期，本课题组[5]提出了一种全新的液相限域聚合方法，利用纳米尺度二维限域模板进行小分子聚合的液相合成策略，成功制备了氮掺杂的单原子层非晶碳材料（NAMC），并对其无序原子结构进行了精准的解析。这项研究为揭示非晶材料在原子尺度的构效关系带来了新突破，解决了非晶材料研究领域的长期挑战，为二维非晶材料在材料科学、电子器件及其他前沿技术领域的应用开辟了新途径，该成果发表于Nature。

图1 NAMC的原子级结构表征(a)以及5-6-7环的形成机制(b)[5]

在这项研究中，通过层状模板的限域作用，抑制了分子聚合过程中的三维旋转和缠绕，使分子在二维平面内发生聚合，突破了吡咯单体在传统聚合中局限于α-C位点交联的限制，促进了β-C和N位点的交联聚合，从而构成了平面网络结构；层状模板的限域作用有效降低了Stone-Wales翻转的能垒，最终形成了五、六、七元环共存的二维非晶结构（图1），成功在实验上验证了W. H. Zachariasen和Steven G. Louie提出的理论预测。利用低电压扫描透射电子显微镜技术，研究团队精确解析了碳原子和氮原子在二维非晶碳网络中的分布，确认了氮原子嵌入到五、六、七元环混合的二维拓扑网络中，氮掺杂浓度可达9%。光学和电学性质测试表明，该材料具有p型半导体特性，为研究原子掺杂对二维非晶碳材料的电子局域化现象的影响提供了理想的研究平台。

图2 普适性合成策略制备.（a）单层聚噻吩;（b）单层聚咔唑

我们还将这一普适性的合成策略成功拓展到含其他杂原子的单层非晶碳材料的制备，包括聚咔唑（PCZ）和聚噻吩（PTH）等（图2）。该项工作使二维聚合物限域合成的研究迈出了重要一步，为未来开发性能优越的二维非晶材料提供了新的研究方向。这类材料在电子器件、储能、催化等领域具有潜在的应用前景。

推荐阅读文献

[1] Zachariasen W H. The atomic arrangement in glass. J Am Chem Soc, 1932, 54: 3841-3851

[2] Anderson P W. Through the glass lightly. Science, 1995, 267: 1615-1616

[3] Crespi V H, Benedict L X, Cohen M L, et al. Prediction of a pure-carbon planar covalent metal. Phys Rev B, 1996, 53: R13303

[4] Xue Y, Wu B, Jiang L, et al. Low temperature growth of highly nitrogen-doped single crystal graphene arrays by chemical vapor deposition. J Am Chem Soc, 2012, 134: 11060-11063

[5] Bai X, Hu P, Li A, et al. Nitrogen-doped amorphous monolayer carbon. Nature, 2024, 634: 80-84

胡鹏飞, 白秀辉, 郭林*. 氮掺杂单原子层非晶碳. 科学通报, 2024, 69(32): 4653-4655