新工艺让石墨烯拥有可调、稳定带隙成为可能

材料牛注：虽然多年来已经有了许多能在石墨烯中产生带隙的方法，但是仍存在不少反对在数字电子器件中使用石墨烯的人，他们坚称石墨烯缺乏固有的带隙。不知道他们看到这篇新闻会怎么想。

图片来自美国海军研究实验室/ ACS Nano杂志

用肉眼看来，图片内部的虚线三角形表示石墨烯中氮原子的最临近区域，而外部三角形的三个角则位于第二和第三临近区域间的电子密集位置。

氮掺杂一直都是在石墨烯里产生稳定带隙的众多方法中最有前途的方法之一，它实际上是增加了材料的导电率。现在，美国海军研究实验室（NRL）的研究人员已经开发出了新的石墨烯氮掺杂技术，该项技术可以精确地控制氮掺杂剂在石墨烯晶格中的位置，这种精确性极大地降低了体系缺陷，并且稳定性也有了明显提升。

来自NRL的研究人员，同时也是该论文的共同作者Cory Cress在接受电子邮件采访时解释说，“氮掺入石墨烯晶格已经能够通过其他技术完成，包括在生长期和后生长期的退火工艺等。不过，目前已采用的技术在控制掺杂物的位置上存在明显的差异，包括空间上和深度上的差异（如果使用多层石墨烯样品）。在一般情况下杂质的置换，比如氮，如果没有额外缺陷的话会是修改能带结构的理想掺杂，因为它最好地保持了石墨烯的基本传输能力。”

氮原子作为石墨烯掺杂剂，具有十分特殊的性质。这是基于它比碳原子多了一个额外的电子。氮原子被放置到石墨烯晶格内时，所有的键都保持完整，并且有额外的电子可以在整个石墨烯层内自由移动。这增加了材料中电子的浓度（也称为n型掺杂），也相应地增强了导电性。

先前的研究已经发现，在石墨烯中制造点缺陷（例如移除一个碳原子）不会改变固有的掺杂水平，Cress对此表示，“换句话说，石墨烯中的缺陷是电中性的，这样他们就不能可控地引入一个带隙，尽管缺陷散射的增加会降低电子的传输。”

尽管其它掺杂剂在一定程度上会失败，但氮原子是石墨烯的理想n型掺杂剂，NRL的研究人员已经使用了超高温离子注入（HyTII）技术来掺入氮原子。由于氮原子和碳原子有着类似的质量和尺寸，成功替换的概率大大提高。

NRL的研究人员已经在ACS Nano期刊上描述了他们的HyTII过程，而表征和测量材料的结果发布在Physical Review B上。

在他们的测量中，NRL的研究人员观察到了大的负磁阻，磁阻的尺寸与氮原子注入的浓度和带结构的改变相关，由于氮原子位于晶格中并且性能是固定的，因此可以通过控制氮原子的含量精确调节。

参与研究的NRL物理学家，论文的第一作者Adam L. Friedman在新闻发布会上说：“这些设备的测量结果强烈表明，我们最终制成了带有可调带隙的石墨烯薄膜，同时兼有低缺陷密度和高稳定性的特点。因此，我们推测HyTII石墨烯薄膜在电子或自旋电子这些要求高质量石墨烯的应用领域会有着巨大的潜力。”

论文地址：Electronic transport and localization in nitrogen-doped graphene devices using hyperthermal ion implantation

原文参考地址：Now Graphene Can Have a Tunable, Stable Bandgap.

感谢材料人编辑部王宇提供素材。