新型石墨烯掺杂方法

Synthesis of Nitrogen-Doped Graphene Using Embedded Carbon and Nitrogen Sources

石墨烯(Graphene)优异的物理化学性质向人们展现了它广泛的应用前景,尤其是在纳电子学领域。石墨烯具有惊人的高电子迁移率,石墨烯基器件性能有望超越硅基器件,可以大大提高计算机的性能。但是由于本征石墨烯是零带隙材料,石墨烯电路中的电流无法完全关闭。如何打开石墨烯带隙以获得大的开关电流比是目前研究的重点。最新出版的一期Advanced Materials期刊中,报道了北京大学刘忠范教授的研究小组及清华大学的合作者们在发展石墨烯掺杂方法方面的研究进展。

对于硅基电路,掺杂(doping)是实现各种功能器件的基础。对于石墨烯基逻辑电路,除了能带结构的调控,载流子类型和密度的调制也是至关重要的。这样就需要发展一种针对石墨烯有效的掺杂方法。传统的掺杂方法是在化学气相沉积(CVD)和电弧放电制备石墨烯过程中引入气相掺杂源。这些方法虽能实现对石墨烯载流子(charge carrier)类型和密度的调控,但无法实现选区掺杂,也就无法用于构造石墨烯异质结(heterojunction)或电路。

最近,北京大学的刘忠范教授领导的研究组发展了一种简便可控的“共偏析法”实现了石墨烯选区掺杂。他们利用了金属高温处理中的偏析现象(即高温退火时,碳原子和掺杂原子在金属表面富集)获得了大面积均匀的、掺杂浓度连续可控的石墨烯,表现出明显的n型特征和一定的有效带隙。采用这种方法,可以便捷地通过控制固态掺杂剂的含量和位置获得各种类型的石墨烯异质结结构,在构造各种基于石墨烯的纳电子器件方面有广泛的应用。

CH. Zhang et al., Adv. Mater. 2011, 23, 1020-1024, DOI: 10.1002/adma.201004110