超高温离子注入法有效合成低缺陷能带结构可调的石墨烯膜

材料牛注：让我们聊聊被称为“黑金”“新材料之王”的石墨烯的新鲜事吧！据说科学家已证实超高温离子注入法（HyTII）能有效地合成低缺陷，能带结构可调的石墨烯膜，可适合于多种设备平台和应用。那么这到底是怎么实现的呢？

美国海军研究实验室（NRL），电子科学与技术和材料科学与技术部门的科学家组成的跨学科团队已经证明了超高温离子注入（HyTII）可作为替位掺杂石墨烯——一种六边形排列的单层碳原子层——的有效方法。该方法制备的薄膜缺陷少，能带结构可调，适用于多种设备平台和应用程序。

研究证明，HyTII法能够对掺杂浓度进行精确地调控，并通过掺杂双层石墨烯中的一层，首次实现了对注入深度的精确调控。该方法制得的薄膜，电子传输性能良好。与其它的掺杂或修饰等改变缺陷的方法不同的是，本实验通过直接调节能带结构，改善了薄膜的电子传输性能。

NRL的材料研究工程师Cory Cress博士说：“碳原子SP2杂化结合形成的单原子层，也就是石墨烯，可以从块状石墨中分离，具有优异的电子和电子自旋性质。不过，应用受限，因为石墨烯没有带隙并且掺杂难以控制，因此石墨烯器件只能用于特殊的设备技术中”。

掺杂或化学修饰法可能会增加一个可用的间隙。但是，这些方法往往会不可避免地使薄膜产生缺陷，降低了它的稳定性，掺杂剂和官能团的不均匀覆盖也会大大限制它们的作用，降低石墨烯薄膜固有的性能。

为解决这个问题，NRL科学家利用其辐射效应开发了一种具有相当的精度和控制能力的超高温离子注入系统，直接向石墨烯中注入氮离子（N +）来进行替位掺杂。

Cress 表示：“开发系统的几个月后，我们发现该技术的可行性取决于第一次实验。在我们的研究中，我们确定了使石墨烯的氮掺杂量最高，且缺陷最少的高温离子能量范围，同时也证实了HyTII方法能够控制掺杂的深度。

为实现后者，科学家开发了双层石墨烯材料系统，一层为天然石墨烯，99%的碳原子为12C；一层为合成石墨烯，99%的碳原子为13C。拉曼光谱法可以分析这种双层材料每一层的变化情况。

在最优高温离子的能量范围内，氮掺杂的石墨烯薄膜的性能取决于N+注入的剂量，表明了氮在改变薄膜性能中发挥了重要作用。相对于原子掺杂，离子掺杂制备的器件有着更好的电学性质，科学家发现这种现象体现出的温度依赖性取决于两个方面：一是替位掺杂导致的能带效应，二是缺陷导致的类绝缘体效应。

出人意料的是，研究人员发现，氮掺杂含量过高，电中性位点处的带隙不会继续加宽。只有在注入离子的能量很高时，缺陷才开始占据主导作用，因为此时缺陷数量大大增加。这也进一步表明了真正掺杂的薄膜和缺陷/掺杂薄膜的区别。

NRL研究物理学家Adam L. Friedman 说：“我们的这些器件的测试结果有力表明，我们终于制成了带隙可调、缺陷密度低和稳定性高的石墨烯薄膜。因HyTII石墨烯薄膜传输性能好，带隙可调，载流子密度大，我们推测其在电子或自旋电子应用上有着具有巨大潜力。

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

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