北大/国科大合作，Nature！

▲第一作者：Huifeng Tian、Yinhang Ma、Zhenjiang Li、Mouyang Cheng、Shoucong Ning 通讯作者：Lei Liu、Wu Zhou、Ji Chen 通讯单位：北京大学、中国科学院大学（北京） 论文doi： https://doi.org/10.1038/s41586-022-05617-w 

01 背景介绍 

在材料科学和凝聚态物理中，由于难以确定3D结构中精确的原子位置，无定形固体的无序度(degree of disorder，DOD)是一个长期存在的谜。2D系统通过允许对所有原子进行直接成像解开了这个谜题。激光辅助沉积生长的非晶单层碳(AMC)的直接成像给出了其原子构型，支持了玻璃态固体在随机网络理论中的现代微晶观点。然而，原子尺度结构和宏观性质之间的因果关系仍不清楚。 

02 本文亮点 

1.本工作通过改变生长温度来调节AMC薄膜中的DOD和电导率。其中，热解阈值温度是生长具有中等有序度(medium-range Order，MRO)的可变程跳跃电导导电AMC的关键，而温度升高25°C导致AMC失去MRO而绝缘，薄层电阻（sheet resistance）增加109倍。 

2.除了观察嵌入在连续随机网络中的高度扭曲的纳米晶粒外，原子分辨电子显微镜显示了MRO的缺失/存在和纳米晶粒的温度依赖密度 （两个描述DOD的参数）。数值计算构建了电导率图对这两个参数的函数，直接将微观结构与电学性能联系起来。 

3.本工作是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。 

03 图文解析

▲图1. AMC在Cu箔上的低温CVD生长 

要点： 1、图1a为芳杂环分子CVD生长AMC的示意图。与激光辅助分解前驱体相比，在热CVD过程中，控制前驱体分解的主要参数是衬底温度，衬底温度可以精确控制，从而可以更精确地控制前驱体的裂解、成核和生长。 2、在较宽的温度范围内(200~800℃)的生长表现出常规的温度依赖性生长行为，起始生长温度为275°C。尽管在300°C时沿Cu箔边缘获得了超过几百微米的不规则形状薄膜(AMC-300)，但在较高温度下仍能持续合成全覆盖、连续的AMC-400和AMC-500薄膜(图1b)。 3、AMC样品的拉曼测量显示出宽的D峰和G峰，没有G′信号(图1c)，表明结构无序度很高。与AMC-300的有限覆盖度不同，AMC-325对Cu箔的完全覆盖度远高于AMC-300，表现出25℃以内的生长突变，而500℃以上合成的AMC样品出现了一些双分子层区域，自限性生长。  

▲图2. AMC的原子尺度结构表征 

要点： 1、图2a显示了不同AMC样品在几个微米区域获得的选区电子衍射(SAED)图谱。SAED图谱中弥散的晕圈和衍射斑点的缺失表明所有样品中的非晶特征，而AMC-400的晕圈更弥散，暗示了更高的DOD。通过使用四维扫描透射电子显微镜(4D-STEM)纳米束电子衍射(NBED)，本工作进一步将表征尺度缩小到几个纳米。 2、图2b-d显示了三个AMC样品中6×6 nm2两个相邻子区域的平均NBED图案。在图2b中，左面板显示弥散光晕，右面板包含几个宽的一阶和二阶衍射斑点以及弥散光晕，表明在6 nm尺度下AMC-300中纳米微晶和玻璃结构的空间分布不均匀。 3、与AMC - 300不同的是，在相同尺度下，AMC-400的区域平均NBED图案主要表现为弥散光晕(图2c)，而对于AMC-500，仅观察到带有光晕的模糊斑点(图2d)，表明DOD在sub-10 nm尺度上的温度依赖性差异。此外，不同尺寸子区域的平均NBED花样显示，当区域尺寸从6×6 nm2增加到36×36 nm2时，所有样品的NBED花样都变成了类似于SAED花样的弥散晕，表明没有长程有序。  

▲图3. AMC的电学特性 

要点： 1、为了探究DOD差异是否可以转化为化学/物理性质，对AMC进行了空气中的热稳定性和电学测量。双端AMC器件的I-V曲线如图3a、b所示，AMC样品可以根据电导率分为三组，表现出导体到绝缘体的转变和电导率的连续调谐。 2、利用传输线法(TLM)，本工作得到了扣除接触电阻后的导电AMC样品的方块电阻Rs (图3c)，并将Rs绘制为生长温度的函数(图3d)，将其自然地划分为4个区域。在I区(< 275℃)中，无法生长AMC样品。在II区(275~300℃)制备了Rs低至32 kΩ-1、存在MRO和有限覆盖的高导电AMC。值得注意的是，仅提高25℃，AMC就跃升至III区(300℃<T≤400 ℃)，Rs提高了9个数量级。 3、此外，四探针电阻测量(图3e)表明，AMC-300表现为典型的半导体性质，随着温度的升高，电阻逐渐减小。电流的自然对数与T-1/3 (图3e)呈线性关系，表明AMC-300的2D变程跳跃传导。  

▲图4. AMC中DOD与电导率关系的理论分析 

要点： 

1、本工作进一步确定，当考虑AMC中的电子传输时，DOD需要用两个序参量来描述，即MRO的水平和导电位点的平均密度ρsite。如图4a所示，这两个序参量共同决定了AMC在两个维度上的电导率。设计了一个随机结构生成来再现大范围的结构，跳跃电导模型如图4b所示。 

2、MRO的水平由AMC和石墨烯的g(r)中程面积之比定义(图4c)。总电导率以对数形式表示为η MRO的函数。从AMC-400到AMC-300，电导率提高了7~8个数量级，这与实验测量结果一致。 

3、在图4g，h中，对于AMC-400，电子跳跃的均方位移随时间饱和，表明电子局域跳跃。随时间的单调增加表明电子的长程跳跃是AMC-500电导率的起源，与绝缘AMC-400具有相同的MRO水平。 4、本工作的研究展示了一组新的涉及更大尺度结构的AMC的结构模型，其中关于输运性质的理论见解可以通过更精确的计算进一步了解。本工作注意到，本工作的实验表征和AMC的理论模型都是在二维空间中，基于合理的假设，起皱效应不会实质性地改变电子结构。 原文链接： https://www.nature.com/articles/s41586-022-05617-w