а. Схематическая диаграмма механизма роста АМС; бх. Структурные характеристики AMC на атомном уровне. Кредит: Лю Лэй

Парадигма «микроструктура определяет свойства» оказалась впечатляюще успешной в объяснении и предсказании поведения кристаллических материалов, а также в преднамеренном манипулировании свойствами материалов. В аморфных материалах расположение атомов не имеет дальнего порядка, и внутренние атомы нельзя наблюдать напрямую, что приводит к загадке их трехмерной атомной структуры, а взаимосвязь между структурой атомного масштаба и характеристиками до сих пор неясна. Изучение и характеристика беспорядка в аморфных структурах является давней загадкой в ​​материаловедении и физике конденсированных сред.

Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали свойство, заключающееся в том, что «все атомы 2D-материалов выставлены на поверхность и их положение можно точно проанализировать», чтобы определить атомную структуру аморфных материалов.

Они использовали циклическую ароматическую молекулу в качестве предшественника и применили метод химического осаждения из паровой фазы. Температура металлической подложки была выбрана в качестве основного управляющего параметра для точного контроля степени термического растрескивания прекурсора и роста АМК с разной степенью разупорядоченности (DOD).

Электрические характеристики АМС. Кредит: Лю Лэй

Кроме того, для выявления атомной структуры АМС использовались методы электронной дифракции и сканирующей просвечивающей электронной микроскопии, а также систематически анализировались зависящие от температуры характеристики различий среднего порядка (MRO) и атомной структуры в АМС.

При электрических измерениях АМС исследователи обнаружили сильно зависящее от температуры свойство: при низких температурах (275–300 ℃) АМС проявляет высокую проводимость из-за слабого MRO в АМС-275/300, в то время как образцы, полученные при 325 ℃, становятся изолирующий.

Кроме того, Rs отрицательно коррелирует с температурой роста при более высоких температурах. Наконец, исследователи добились непрерывной настройки проводимости АМС на девять порядков. Измерения Холла при переменной температуре с помощью SHMFF предоставили важную информацию о поведении электропроводности образцов AMC.

Используя расчеты теории функционала плотности и моделирование Монте-Карло, исследователи сопоставили атомную структуру и электрические свойства двумерного аморфного углерода, выявив микромеханизмы различий проводимости AMC. Они ввели новый параметр структурного порядка — среднюю плотность проводящих участков — и построили фазовую диаграмму «микроструктура — макроскопические электрические характеристики», объединив средний порядок.

Теоретический анализ взаимосвязи DOD и проводимости в АМС. Кредит: Лю Лэй

Эти результаты также показывают сложность DOD в аморфных материалах, которая не может быть описана только с помощью MRO.

Эта работа представляет собой первую точную взаимосвязь структура-свойство в аморфном материале и предлагает новые идеи для областей двумерных материалов, физики аморфных материалов и приложений.