如果從材料來看人類歷史的發展，大抵經過了石器時代、青銅器時代、鐵器時代。如今，硅時代主導人類社會，而碳時代正在來臨。富勒烯、碳納米管、石墨烯、C18等新興碳納米材料層出不窮。
今天，Nature雜志在線發表兩篇碳材料最新研究成果，為碳材料的發展提供了新的動力。一篇來自南京大學高力波教授團隊，發展了一種超平滑石墨烯薄膜的CVD制備方法；另一篇來自新加坡國立大學Barbaros ?zyilmaz教授團隊，首次在原子尺度解析了單層無定形二維碳材料的結構。
第一作者：Guowen Yuan
通訊作者：Libo Gao
通訊單位：南京大學
CVD是生長高品質石墨烯的重要方法，已經發展了十年之久。問題在于，石墨烯與生長基地之間結合牢固，導致往往不可避免地產生大量褶皺，極大地影響了石墨烯的最終應用效果。那么，這些褶皺到底對石墨烯性能有多大影響？能否做出沒有褶皺的石墨烯呢？
2020年1月9日，南京大學高力波教授課題組給出了肯定的回答。他們采用一種質子輔助的CVD方法，實現了無褶皺的超平滑石墨烯薄膜的制備。通過質子的滲透和復合形成氫，也可以減少傳統CVD策略中石墨烯的褶皺。由于范德華相互作用的耦合，以及和生長表面之間的距離，很多褶皺都消失不見。
圖1. 生長原理示意圖
由此生長得到的超平滑石墨烯電子能帶結構表現出V形的狄拉克錐和線性色散，從而證明了石墨烯與基底之間的去耦合作用。這種超平滑特性使得石墨烯通過濕法轉移后，保持清潔的表面，保留其固有性能，并有望用于其他二維材料的制備中，為二維材料的制備提供了新的解決方案。
圖2. 材料表征
參考文獻：
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
通訊作者：Barbaros ?zyilmaz
通訊單位：新加坡國立大學
晶態材料和非晶態材料到底有什么區別？早在1932年，Zachariasen提出Z-CRN模型，認為無定形材料與其晶體類似物包含相同的鍵合單元，但這些單元形成連續的隨機網絡（Z-CRN）而不是周期性結構。
而另一種模型，競爭模型認為，無定形材料與其晶體類似物的內部原子結構完全不用，非晶材料中也存在晶界分隔的納米級晶粒。過去數十年來，Z-CRN模型占據主流，但是兩種模型的爭議并未解決。這主要是因為，非晶態材料的原子尺度表征，長期以來就是一個棘手的問題。
2020年1月9日，新加坡國立大學Barbaros ?zyilmaz教授團隊及其合作者，首次在原子尺度解析了單層無定形二維碳材料的結構，發現其更支持競爭模型。研究人員通過激光輔助低溫CVD策略制備出厘米級自支撐的單層非晶態二維碳，發現其拓撲結構與石墨烯并不一樣。通過拉曼光譜、透射電鏡等精確表征，研究人員發現材料內部完全沒有長程周期性，并觀察到鍵長、鍵角尺寸不一，并伴隨大量五元環、六元環、七元環、八元環等等，環分布并不遵循Z-CRN規則，更傾向于競爭模型。
圖3. 非晶態單層碳材料原子分辨率成像
通過理論計算，研究人員發現這種非晶態單層碳材料并不導電，電阻率接近CVD生長得到的BN納米材料。而且，這種材料極具穩定性，并未發生斷裂，將在磁性記錄器件和柔性電子設備等領域具有潛在應用。
順便說一句，做了這么多年石墨烯，你真的清楚單層石墨烯和單層無定形碳的區別嗎？
參考文獻：
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
