近日，中国科学院近代物理研究所材料研究中心科研人员参与国际合作研究，研发了一种工业兼容的“无序对无序”(DTD)合成技术，实现晶圆级超洁净单层非晶碳(UC-MAC)的秒级制备，开发了UC-MAC膜应用于高精度质子束生成的原创应用。该研究成果以“Ultraclean monolayer amorphous carbon yields a high-precision proton beam”为题发表在《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)上。
此项研究成果同时解决了二维非晶材料领域两大关键挑战——规模化高质量制备与功能性验证。科研人员通过采用新的“无序到无序”(DTD)合成技术，攻克了高质量超洁净单层非晶碳(UC-MAC)的工业化兼容制备和表面金属污染难题。
科研人员通过精确调控氢分子离子束的流强和束斑尺寸，可将离子束聚焦至百纳米量级。借助这一技术优势，研究人员成功实现了氢分子离子束与真空中悬浮的、受铜网支撑的微米级单层非晶碳膜的精准相互作用，从而精确实现“氢分子离子仅与单层膜碰撞”这一极限实验条件。高能氢分子离子微束实验与约束密度泛函理论计算揭示了MAC作为原子级薄层埃孔膜材料的颠覆性应用潜力：该材料可实现氢分子离子的离子化。实验表明，氢分子离子穿透MAC膜产生的质子散射率远低于穿透单原子层石墨烯(约低51%)和商用碳膜(约低98%)的情况，验证了其优异的高精度质子束生成能力，为开发下一代强流质子治疗技术开辟了新路径。
本项研究工作由新加坡国立大学、香港城市大学、中国科学院近代物理研究所、北京大学、新加坡科技研究局等单位共同完成。新加坡国立大学林会会博士和吕品博士、香港城市大学江健博士、中国科学院近代物理研究所窦彦昕研究员为论文共同第一作者，新加坡国立大学吕炯教授、香港城市大学曾晓成教授、北京大学赵晓续研究员为论文共同通讯作者。
图1: 晶圆级UC-MAC的“无序对无序”合成与 “氢分子离子的离子化”应用
图2: 氢分子离子穿透UC-MAC、非洁净MAC、单晶石墨烯(SCG)或商用碳膜后都离子化为质子，其中 UC-MAC 膜具有最低质子散射率 (图d)
