ACS Nano：氮掺杂石墨烯中电子—空穴非对称散射

【引言】

石墨烯由蜂窝状结构的单层碳原子组成，是一种具有狄拉克级能量分散的材料。由于其电子传输特性和在电子器件中的应用潜力而引起了广泛的研究兴趣。然而，杂质尤其是晶格中带电荷的杂质的存在会影响石墨烯的电学性能。当接近狄拉克点时，由于态密度消失，石墨烯的传输性能对带电杂质的散射高度敏感。因此，可以采用物理和化学的方法对石墨烯进行掺杂，以提升石墨烯的电学性能。在众多的掺杂中，理论和实验均表明，石墨氮掺杂石墨烯晶格不仅可以实现n型掺杂而且载流子可以保持较高的迁移率。

【成果简介】

最近，北京大学、瑞典隆德大学的徐洪起教授和北京大学的刘忠范教授、康宁老师（共同通讯）等在ACS Nano上发表题为“Electron−Hole Symmetry Breaking in Charge Transport in Nitrogen-Doped Graphene”的文章。采用CVD的方法制备了高质量的石墨氮掺杂石墨烯。通过对其电、磁传输性质的测量，研究了石墨氮掺杂石墨烯中的散射过程。其中，材料的谷间散射表现出强的电子—空穴非对称性，从而表现出特殊的电学特性。

【图文导读】

图1. 氮掺杂石墨烯薄膜分析

（a）氮掺杂石墨烯薄膜的N 1S峰，只在0eV处有峰，证实了掺杂氮全部为石墨化的氮，含量为2.0%。

（b）STM图进一步证明了氮原子在石墨烯晶格间的掺杂，掺杂位置有明显的白色尾巴，是氮掺杂引起的谷间散射。左下图是STM对应的FFT。

（c）Raman图中D峰和氮掺杂程度有关，掺杂越多，D峰越高；2D峰表明石墨烯薄膜具有良好的结晶性。左上图是样品的标准霍尔棒结构的Raman空间映射，D峰强度分布均匀，证明了氮掺杂在整个样品中分布均匀。

（d）在室温（黑色）和9K（红色）条件下，样品作为栅极电压函数测量的电阻率。

图2. 氮掺杂石墨烯的电子传输性质

（a）在9K和零磁场条件下，氮原子含量为0.5%，1.0%和2.0%的薄膜的电导率（σ）—栅极电压（V_g）图。 氮掺杂是n型掺杂，所以狄拉克点位于负值区，随着氮原子浓度增加，狄拉克点向负值方向移动。

（b）电荷杂质密度随着氮原子浓度的变化图。

（c）由于引入更多的散射中心，样品中载流子迁移率随着氮原子浓度的增加而降低。

图3. 氮掺杂石墨烯的低场磁场传输量

磁传输测量可帮助进一步探究载流子传输过程，如散射机制，石墨烯中的各种特征长度尺度的测量等。

（a）在9K和狄拉克点（V_Dirac = -16V）条件下，氮原子浓度2.0%的石墨烯样品的转移传输曲线。不同颜色区域代表不同类型电荷载体传输。曲线上的点表示不同的栅极电压。

（b）如（a）曲线上的点所示，样品在选定的栅极电压下测量的磁导率。

（c）样品在不同栅极电压下的散射率。

（d）氮含量为0%和1.0%样品在不同栅极电压下的谷间散射率。

（e）氮含量为0%，1.8%，1.0%和0.5%样品在相同的载流子浓度（n~1×10¹⁵ m^-2）条件下的磁导率。

（f）不同氮含量的谷间散射率，因此，可控氮掺杂是一个调控石墨烯谷间散射率的有效方法。

图4. 不同温度下氮掺杂石墨烯的低场磁场传输量

（a）在栅极电压ΔV_g= 1V（n~1.8×10¹⁵m-2）和不同温度条件下，氮含量为0%样品低场磁导率，随着温度的升高，磁导率的下降逐渐减少，说明弱局域化（WL）效应的降低甚至消失。

（b）样品的特征散射长度l_φ，l_i和l_*。

（c）在四种不同栅极电压和不同温度下样品的谷间散射率。

（d）在不同温度下，ΔV_g= 7V和ΔV_g= -7V的样品提取的退相位速率。

图5. 高磁场下氮掺杂石墨烯的激活间隙

（a）在磁场强度8T的和不同温度条件下，氮含量为8%样品的传输曲线。

（b）填充因子ν= -2和v=2时样品的高温范围内R_xx的Arrhenius曲线。

【小结】

本文研究了氮掺杂石墨烯电荷传输性能的电子-空穴谷间散射不对称性。谷间电子散射比空穴强得多，且散射率随着氮掺杂浓度的增加而增加。这是因为氮掺杂石墨烯形成正电荷中心，对于电子传输造成大角度散射。因此，通过在石墨烯中掺入不同量的石墨氮可以有效地调节石墨烯中的载流子散射，从而控制其电学特性。

文献链接：Electron−Hole Symmetry Breaking in Charge Transport in Nitrogen-Doped Graphene（ACS Nano, 2017, DOI:10.1021/acsnano.7b00313）

本文由材料人编辑部纳米学术组刘瑜琳整理编译，点我加入材料人编辑部。

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