氮摻雜石墨烯開發(fā)了新的低缺陷方法

美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL），電子科學(xué)與技術(shù)和材料科學(xué)與技術(shù)部門的跨學(xué)科科學(xué)家團(tuán)隊(duì)已證明高溫離子注入（HyTII）是替代摻雜石墨烯的有效手段-六角形排列的單原子厚度碳片-含氮原子。結(jié)果是具有可調(diào)節(jié)帶結(jié)構(gòu)的低缺陷薄膜，適用于各種器件平臺(tái)和應(yīng)用。

研究表明，HyTII方法提供了高度的控制，包括摻雜濃度，并首次通過在雙層石墨烯疊層中摻雜單個(gè)單層石墨烯來展示植入的深度控制。這進(jìn)一步證明了所得到的膜具有高質(zhì)量的電子傳輸性質(zhì)，其可以僅通過帶結(jié)構(gòu)的變化而不是使用其他方法摻雜或功能化的石墨烯膜的缺陷主導(dǎo)行為來描述。

NRL材料研究工程師CoryCress博士說：“由于發(fā)現(xiàn)單個(gè)sp2鍵合碳原子的原子層（稱為石墨烯）可以從大塊石墨中分離出來，因此出現(xiàn)了大量顯著的電子和自旋電子特性?！薄叭欢?，很少有應(yīng)用即將到來，因?yàn)槭┤狈?，其摻雜難以控制，使得石墨烯器件僅對(duì)高度專業(yè)化的器件技術(shù)具有競(jìng)爭(zhēng)力?！?br/>
摻雜或化學(xué)官能化可以增加可用的傳輸間隙。然而，這些方法傾向于產(chǎn)生被無意識(shí)缺陷所困擾，具有低穩(wěn)定性或摻雜劑和官能團(tuán)的不均勻覆蓋的膜，這些都極大地限制了它們的有用性并降低了石墨烯膜的固有所需性質(zhì)。

作為替代方案，NRL科學(xué)家利用其輻射效應(yīng)背景開發(fā)了一種超高溫離子注入系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有必要的精確度和控制能力，可將氮（N+）注入石墨烯，通過直接替代實(shí)現(xiàn)摻雜。

“經(jīng)過幾個(gè)月的系統(tǒng)開發(fā)，該技術(shù)的可行性確實(shí)取決于第一個(gè)實(shí)驗(yàn)，”Cress說。“在我們的研究中，我們確定了產(chǎn)生最高氮摻雜比例的高溫離子能量范圍，同時(shí)最大限度地減少了缺陷，我們成功地確認(rèn)了HyTII過程的固有深度控制?！?br/>
為了實(shí)現(xiàn)后者，科學(xué)家們實(shí)施了一種雙層石墨烯材料系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一層天然石墨烯，主要是碳-12（12C）原子，層疊在石墨烯上，合成的碳-13（13C）含量超過99％。當(dāng)用拉曼光譜法分析時(shí)，該雙層材料提供了識(shí)別它們正在修飾哪個(gè)層的手段。

在最佳摻雜范圍內(nèi)用N+處理的薄膜制成的器件顯示出從強(qiáng)定位到弱定位的轉(zhuǎn)變，這取決于注入劑量，表明注入的氮改變膜的固有性質(zhì)的能力。進(jìn)一步證明植入裝置的電子質(zhì)量高于類似的吸附原子的裝置，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，溫度依賴性可以通過一個(gè)模型來擬合，該模型考慮了由于替代摻雜引起的帶效應(yīng)和類似絕緣體的效應(yīng)。缺陷形成，觀察到帶效應(yīng)是主要成分。

令人驚訝的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，較高的氮摻雜量可以防止電荷中性點(diǎn)附近的絕緣行為發(fā)生交叉。缺陷似乎僅在大的注入能量下主導(dǎo)行為，其中缺陷更可能，進(jìn)一步證明了真摻雜薄膜與先前缺陷/摻雜薄膜之間的差異。

“我們對(duì)這些器件的測(cè)量結(jié)果強(qiáng)烈表明，我們最終制造出具有可調(diào)帶隙，低缺陷密度和高穩(wěn)定性的石墨烯薄膜，”NRL研究物理學(xué)家AdamL.Friedman博士解釋道?！耙虼耍覀兗僭O(shè)HyTII石墨烯薄膜在高質(zhì)量石墨烯的電子或自旋電子應(yīng)用方面具有巨大潛力，其中需要傳輸或帶隙和高載流子濃度。”