二维非晶碳是碳材料家族的一种新型同素异形体。与石墨烯的周期性蜂窝结构不同，单原子层的非晶碳是由五、六、七元碳环无序拼接而成。由于在可控合成及掺杂调控方面的手段仍然欠缺，二维非晶碳中独特电子局域化现象尚未得到深入研究。近日，国家纳米科学中心裘晓辉研究员与北京航空航天大学郭林教授、刘利民教授、中国科学院大学周武教授、清华大学谷林教授等组成的研究团队（国家纳米科学中心为第二单位）在氮掺杂单原子层非晶碳的可控合成和结构与性质测量方面取得新进展。相关研究成果以“Nitrogen-doped amorphous monolayer carbon”为题发表在《Nature》杂志上。

研究人员此前通过化学气相沉积方法在非平衡条件下成功制备了该材料，并发现非晶结构可显著调控碳材料的导电性和机械强度等物理性能。虽然化学气相沉积被广泛用于制备石墨烯及其衍生材料，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。相比之下，液相聚合方法在高分子化学合成被广泛采用，该方法条件温和，前驱体选择多样。然而，在液相聚合中，反应中间体构象多变且存在复杂的立体相互作用，因此使用液相聚合法难以获得具有二维拓扑结构的产物。

为解决这一难题，研究团队发展了一种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，成功制备了氮元素掺杂的单原子层非晶碳材料。该方法利用层状模板的限域作用，将自由基中间体的聚合过程限制在二维平面内，最终形成了五、六、七元环共存的二维无序网络结构。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，证实了氮原子成功嵌入碳原子组成的平面网络中，并确认了氮掺杂浓度可达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独特的实验平台。通过第一性原理计算，研究团队进一步揭示了该材料的形成机制，发现受限空间中的化学反应模式发生了显著变化。该项工作在二维聚合物限域合成领域迈出了重要一步，为未来开发性能优越的二维非晶材料提供了新途径。

本研究工作得到了中国科学院战略性先导科技专项（B类）、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队项目、中国科学院大学电子显微学实验室、国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京高校卓越青年科学家计划等项基金的支持。

图：氮掺杂单原子层非晶碳的原子分辨结构(a-c)和静电力显微镜测量的电学性质 (d-e)

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07958-0