单层无定形碳（MAC）因其埃级多边形环结构在催化、能源和医疗领域具有重大应用潜力，其独特的孔隙结构可实现亚原子级粒子精准分离。然而，与石墨烯和块体非晶材料相比，工业级本征MAC合成技术的缺失严重限制了其实际应用。现有方法难以在保证埃级孔隙的同时实现无金属污染的表面制备，阻碍了该材料的基础研究和产业化进程。
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合作团队开发了一种工业兼容的”无序到无序”（DTD）合成策略，通过纳米晶基底工程与电感耦合等离子体化学气相沉积（ICP-CVD）技术结合，在秒级时间内制备出8英寸超净单层无定形碳（UC-MAC）。该材料具有优化的埃级多边形环结构和纳米孔隙，金属污染低于检测限。实验表明，UC-MAC作为埃级薄膜可将高通量H₂⁺离子分裂为高精度质子束，其有害碎片-质子散射事件较单晶石墨烯减少50%，较商用碳膜降低40倍，为质子治疗提供了理想的膜材料解决方案。
技术突破与应用验证
研究团队通过定制化工业设备实现晶圆级UC-MAC制备（图1）。磁控溅射技术在200℃下于SiO₂/Si衬底上构建高密度不规则纳米晶铜基底（约2260个/μm²），结合820℃的ICP-CVD工艺，仅需3秒即可完成超快生长（图2c）。原子级表征显示（图2f），UC-MAC由随机排列的五边形、七边形和八边形环构成，平均准粒子能隙为422±23 meV（图2j），具备二维半导体特性。通过调节等离子体功率（20-100 W），可精确控制非六边形环密度，实现从纳米晶石墨烯到完全非晶结构的连续调控（图3）。
图1 DTD合成晶圆级UC-MAC及其应用示意图。(a) 通过调节六边形/非六边形环密度精准控制H₂⁺分裂的合成策略。(b-d) 定制化工业兼容DTD生长系统：合成过程(b)、生长后基底上的8英寸UC-MAC(c)、转移至SiO₂/Si衬底的样品(d)。
质子束性能测试揭示关键优势（图4）：当3.5 MeV的H₂⁺离子束轰击独立式UC-MAC薄膜时，产生双质子事件仅47次，较金属污染的MAC降低90%（图4d）。密度泛函理论计算表明，五边形环比七边形环更有效分裂H₂⁺离子（图4i），垂直构型下活化能仅3.3-4.4 eV（图4g-h）。这种精准调控能力使质子产率稳定在88.8-296.0个/秒（图4e），为肿瘤治疗提供了可控质子源。
图4 H₂⁺离子在UC-MAC上的分裂。(a) 高能离子束轰击二维晶体示意图。(b) 独立式UC-MAC光学图像（金网格）。(c) 近轴STIM成像（膜区域对比增强）。(d) 双质子事件对比（UC-MAC最低）。(e) 质子产率调控（88.8-296.0个/秒）。(f) H₂⁺垂直分裂过程。(g-h) 不同距离的能量分布。(i-j) 不同构型下H₂⁺分裂能垒（五边形环比七边形环更有效）。
未来展望
该研究开发的DTD合成技术成功实现了8英寸超净单层无定形碳的规模化制备，其作为质子调控膜在减少散射事件方面的卓越性能，为发展非侵入性肿瘤治疗装备奠定基础。晶圆级二维非晶/纳米晶材料的量产能力，将推动膜分离、离子筛选和超薄介电技术领域的革命性进步。
Ultraclean monolayer amorphous carbon yields a high-precision proton beam
https://doi.org/10.1038/s41565-025-01968-3
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