ACS Nano：氮摻雜石墨烯中電子—空穴非對稱散射

【引言】

石墨烯由蜂窩狀結構的單層碳原子組成，是一種具有狄拉克級能量分散的材料。由于其電子傳輸特性和在電子器件中的應用潛力而引起了廣泛的研究興趣。然而，雜質尤其是晶格中帶電荷的雜質的存在會影響石墨烯的電學性能。當接近狄拉克點時，由于態密度消失，石墨烯的傳輸性能對帶電雜質的散射高度敏感。因此，可以采用物理和化學的方法對石墨烯進行摻雜，以提升石墨烯的電學性能。在眾多的摻雜中，理論和實驗均表明，石墨氮摻雜石墨烯晶格不僅可以實現n型摻雜而且載流子可以保持較高的遷移率。

【成果簡介】

最近，北京大學、瑞典隆德大學的徐洪起教授和北京大學的劉忠范教授、康寧老師（共同通訊）等在ACS Nano上發表題為“Electron?Hole Symmetry Breaking in Charge Transport in Nitrogen-Doped Graphene”的文章。采用CVD的方法制備了高質量的石墨氮摻雜石墨烯。通過對其電、磁傳輸性質的測量，研究了石墨氮摻雜石墨烯中的散射過程。其中，材料的谷間散射表現出強的電子—空穴非對稱性，從而表現出特殊的電學特性。

【圖文導讀】

圖1. 氮摻雜石墨烯薄膜分析

（a）氮摻雜石墨烯薄膜的N 1S峰，只在0eV處有峰，證實了摻雜氮全部為石墨化的氮，含量為2.0%。

（b）STM圖進一步證明了氮原子在石墨烯晶格間的摻雜，摻雜位置有明顯的白色尾巴，是氮摻雜引起的谷間散射。左下圖是STM對應的FFT。

（c）Raman圖中D峰和氮摻雜程度有關，摻雜越多，D峰越高；2D峰表明石墨烯薄膜具有良好的結晶性。左上圖是樣品的標準霍爾棒結構的Raman空間映射，D峰強度分布均勻，證明了氮摻雜在整個樣品中分布均勻。

（d）在室溫（黑色）和9K（紅色）條件下，樣品作為柵極電壓函數測量的電阻率。

圖2. 氮摻雜石墨烯的電子傳輸性質

（a）在9K和零磁場條件下，氮原子含量為0.5%，1.0%和2.0%的薄膜的電導率（σ）—柵極電壓（V_g）圖。 氮摻雜是n型摻雜，所以狄拉克點位于負值區，隨著氮原子濃度增加，狄拉克點向負值方向移動。

（b）電荷雜質密度隨著氮原子濃度的變化圖。

（c）由于引入更多的散射中心，樣品中載流子遷移率隨著氮原子濃度的增加而降低。

圖3. 氮摻雜石墨烯的低場磁場傳輸量

磁傳輸測量可幫助進一步探究載流子傳輸過程，如散射機制，石墨烯中的各種特征長度尺度的測量等。

（a）在9K和狄拉克點（V_Dirac = -16V）條件下，氮原子濃度2.0%的石墨烯樣品的轉移傳輸曲線。不同顏色區域代表不同類型電荷載體傳輸。曲線上的點表示不同的柵極電壓。

（b）如（a）曲線上的點所示，樣品在選定的柵極電壓下測量的磁導率。

（c）樣品在不同柵極電壓下的散射率。

（d）氮含量為0%和1.0%樣品在不同柵極電壓下的谷間散射率。

（e）氮含量為0%，1.8%，1.0%和0.5%樣品在相同的載流子濃度（n~1×10¹⁵ m^-2）條件下的磁導率。

（f）不同氮含量的谷間散射率，因此，可控氮摻雜是一個調控石墨烯谷間散射率的有效方法。

圖4. 不同溫度下氮摻雜石墨烯的低場磁場傳輸量

（a）在柵極電壓ΔV_g= 1V（n~1.8×10¹⁵m-2）和不同溫度條件下，氮含量為0%樣品低場磁導率，隨著溫度的升高，磁導率的下降逐漸減少，說明弱局域化（WL）效應的降低甚至消失。

（b）樣品的特征散射長度l_φ，l_i和l_*。

（c）在四種不同柵極電壓和不同溫度下樣品的谷間散射率。

（d）在不同溫度下，ΔV_g= 7V和ΔV_g= -7V的樣品提取的退相位速率。

圖5. 高磁場下氮摻雜石墨烯的激活間隙

（a）在磁場強度8T的和不同溫度條件下，氮含量為8%樣品的傳輸曲線。

（b）填充因子ν= -2和v=2時樣品的高溫范圍內R_xx的Arrhenius曲線。

【小結】

本文研究了氮摻雜石墨烯電荷傳輸性能的電子-空穴谷間散射不對稱性。谷間電子散射比空穴強得多，且散射率隨著氮摻雜濃度的增加而增加。這是因為氮摻雜石墨烯形成正電荷中心，對于電子傳輸造成大角度散射。因此，通過在石墨烯中摻入不同量的石墨氮可以有效地調節石墨烯中的載流子散射，從而控制其電學特性。

文獻鏈接：Electron?Hole Symmetry Breaking in Charge Transport in Nitrogen-Doped Graphene（ACS Nano, 2017, DOI:10.1021/acsnano.7b00313）

本文由材料人編輯部納米學術組劉瑜琳整理編譯，點我加入材料人編輯部。

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