氮掺杂无定形单层碳
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单原子层状碳材料，如石墨烯1和非晶状单层碳2,3，由于其前所未有的物理特性和广泛的有前途的应用，激发了密集的基础和应用研究4,5.到目前为止，此类材料主要通过化学气相沉积生产，与液相合成相比，化学气相沉积通常需要严格的反应条件。在本文中，我们展示了通过吡咯在可移除的层状双氢氧化物模板的受限层腔内聚合，制备具有混合五元、六元和七元（5-6-7元）环的独立氮掺杂无定形单层碳的溶液制备。结构表征和第一性原理计算表明，氮掺杂的无定形单层碳是由 pyrrole 在 α、β 和 N 位点的自由基聚合形成的，这可以通过 Stone-Wales 变换实现键重排。空间限制抑制了聚合过程中的 C-C 键旋转和链缠结，从而产生具有面内 π 共轭电子结构的原子厚连续非晶层。使用固体模板和离子交换策略的空间限制自由基聚合显示出作为获得二维共价网络的通用合成方法的潜力，成功合成聚噻吩和聚咔唑单层就是例证。
与 CVD 相比，这种基于解决方案的方法受益于更广泛的候选前驱体选择，并有望实现杂原子的受控掺入 sp2碳基体，由于掺杂剂原子在高温下的氧化还原活性，这对 CVD 具有挑战性。我们通过进一步合成聚噻吩 （PTH） 和聚咪唑 （PCZ） 的二维无定形单层来证明这种受限生长方法的多功能性。综上所述，我们已经通过含 N 分子在溶液中的限制聚合成功合成了 NAMC。这种石墨化 N 掺杂无定形碳可以作为 N 掺杂石墨烯的有价值的替代品，并为研究 N 的化学状态与碳纳米材料的定制特性之间的相关性提供了一个多功能平台。局限聚合策略可以扩展到合成包含各种杂原子的二维无定形单层，正如我们对 PTH 二维单层的初步发现所示（扩展数据图 .8） 和 PCZ（扩展数据图 .9）. 这种受限生长方法的多功能性和广泛适用性可以为扩展二维非晶材料库铺平一条新途径。我们使用静电力显微镜 （EFM） 来表征 NAMC π共轭框架的电学特性，如图 1 所示。3a. EFM 的非接触式电气测量可以研究易碎样品的载流子类型和浓度，同时避免在设备制造过程中意外污染和降解31,32 元.图 3b-g 和补充图图17显示了NAMC薄片的形貌，并同时获得了NAMC薄片的EFM-2ω图像，该片被旋铸到具有90 nm厚SiO的简并Si衬底上2层。大约 0.6 nm 的高度剖面证实 NAMC 薄片是单层。EFM-2ω 图像（图 D）。3c-g）测量介电响应，它反映了样品的电荷载流子动力学。请注意，NAMC 薄片和 SiO 之间的对比2基板随施加的尖端电压 （Vd.c.).从映射模式中提取的 EFM-2ω 频谱和信号（图 D）。3h） 清楚地表明 NAMC 薄膜相对于 SiO 具有更高的 EFM-2ω2−4 V 的衬底（图 D）。3c） 的电压低于 −2、0、2 或 4 V。这种行为可以通过考虑 NAMC 薄片中的移动电荷载流子受到偏置尖端的横向不均匀电场来理解33,34 元.Equinox![]()
