超高溫離子注入法有效合成低缺陷能帶結構可調的石墨烯膜

材料牛注：讓我們聊聊被稱為“黑金”“新材料之王”的石墨烯的新鮮事吧！據說科學家已證實超高溫離子注入法（HyTII）能有效地合成低缺陷，能帶結構可調的石墨烯膜，可適合于多種設備平臺和應用。那么這到底是怎么實現的呢？

美國海軍研究實驗室（NRL），電子科學與技術和材料科學與技術部門的科學家組成的跨學科團隊已經證明了超高溫離子注入（HyTII）可作為替位摻雜石墨烯——一種六邊形排列的單層碳原子層——的有效方法。該方法制備的薄膜缺陷少，能帶結構可調，適用于多種設備平臺和應用程序。

研究證明，HyTII法能夠對摻雜濃度進行精確地調控，并通過摻雜雙層石墨烯中的一層，首次實現了對注入深度的精確調控。該方法制得的薄膜，電子傳輸性能良好。與其它的摻雜或修飾等改變缺陷的方法不同的是，本實驗通過直接調節能帶結構，改善了薄膜的電子傳輸性能。

NRL的材料研究工程師Cory Cress博士說：“碳原子SP2雜化結合形成的單原子層，也就是石墨烯，可以從塊狀石墨中分離，具有優異的電子和電子自旋性質。不過，應用受限，因為石墨烯沒有帶隙并且摻雜難以控制，因此石墨烯器件只能用于特殊的設備技術中”。

摻雜或化學修飾法可能會增加一個可用的間隙。但是，這些方法往往會不可避免地使薄膜產生缺陷，降低了它的穩定性，摻雜劑和官能團的不均勻覆蓋也會大大限制它們的作用，降低石墨烯薄膜固有的性能。

為解決這個問題，NRL科學家利用其輻射效應開發了一種具有相當的精度和控制能力的超高溫離子注入系統，直接向石墨烯中注入氮離子（N +）來進行替位摻雜。

Cress 表示：“開發系統的幾個月后，我們發現該技術的可行性取決于第一次實驗。在我們的研究中，我們確定了使石墨烯的氮摻雜量最高，且缺陷最少的高溫離子能量范圍，同時也證實了HyTII方法能夠控制摻雜的深度。

為實現后者，科學家開發了雙層石墨烯材料系統，一層為天然石墨烯，99%的碳原子為12C；一層為合成石墨烯，99%的碳原子為13C。拉曼光譜法可以分析這種雙層材料每一層的變化情況。

在最優高溫離子的能量范圍內，氮摻雜的石墨烯薄膜的性能取決于N+注入的劑量，表明了氮在改變薄膜性能中發揮了重要作用。相對于原子摻雜，離子摻雜制備的器件有著更好的電學性質，科學家發現這種現象體現出的溫度依賴性取決于兩個方面：一是替位摻雜導致的能帶效應，二是缺陷導致的類絕緣體效應。

出人意料的是，研究人員發現，氮摻雜含量過高，電中性位點處的帶隙不會繼續加寬。只有在注入離子的能量很高時，缺陷才開始占據主導作用，因為此時缺陷數量大大增加。這也進一步表明了真正摻雜的薄膜和缺陷/摻雜薄膜的區別。

NRL研究物理學家Adam L. Friedman 說：“我們的這些器件的測試結果有力表明，我們終于制成了帶隙可調、缺陷密度低和穩定性高的石墨烯薄膜。因HyTII石墨烯薄膜傳輸性能好，帶隙可調，載流子密度大，我們推測其在電子或自旋電子應用上有著具有巨大潛力。

參考文章：New low-defect method to nitrogen dope graphene resulting in tunable bandstructure

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