新工藝讓石墨烯擁有可調(diào)、穩(wěn)定帶隙成為可能

　　用肉眼看來，圖片內(nèi)部的虛線三角形表示石墨烯中氮原子的最臨近區(qū)域，而外部三角形的三個角則位于第二和第三臨近區(qū)域間的電子密集位置。

　　圖片來自美國海軍研究實驗室/ ACS Nano雜志

　　氮摻雜一直都是在石墨烯里產(chǎn)生穩(wěn)定帶隙的眾多方法中最有前途的方法之一，它實際上是增加了材料的導電率。現(xiàn)在，美國海軍研究實驗室(NRL)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出了新的石墨烯氮摻雜技術(shù)，該項技術(shù)可以精確地控制氮摻雜劑在石墨烯晶格中的位置，這種精確性極大地降低了體系缺陷，并且穩(wěn)定性也有了明顯提升。

　　來自NRL的研究人員，同時也是該論文的共同作者Cory Cress在接受電子郵件采訪時解釋說，“氮摻入石墨烯晶格已經(jīng)能夠通過其他技術(shù)完成，包括在生長期和后生長期的退火工藝等。不過，目前已采用的技術(shù)在控制摻雜物的位置上存在明顯的差異，包括空間上和深度上的差異(如果使用多層石墨烯樣品)。在一般情況下雜質(zhì)的置換，比如氮，如果沒有額外缺陷的話會是修改能帶結(jié)構(gòu)的理想摻雜，因為它最好地保持了石墨烯的基本傳輸能力?！?/p>

　　氮原子作為石墨烯摻雜劑，具有十分特殊的性質(zhì)。這是基于它比碳原子多了一個額外的電子。氮原子被放置到石墨烯晶格內(nèi)時，所有的鍵都保持完整，并且有額外的電子可以在整個石墨烯層內(nèi)自由移動。這增加了材料中電子的濃度(也稱為n型摻雜)，也相應(yīng)地增強了導電性。

　　先前的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在石墨烯中制造點缺陷(例如移除一個碳原子)不會改變固有的摻雜水平，Cress對此表示，“換句話說，石墨烯中的缺陷是電中性的，這樣他們就不能可控地引入一個帶隙，盡管缺陷散射的增加會降低電子的傳輸?！?/p>

　　盡管其它摻雜劑在一定程度上會失敗，但氮原子是石墨烯的理想n型摻雜劑，NRL的研究人員已經(jīng)使用了超高溫離子注入(HyTII)技術(shù)來摻入氮原子。由于氮原子和碳原子有著類似的質(zhì)量和尺寸，成功替換的概率大大提高。

　　NRL的研究人員已經(jīng)在ACS Nano期刊上描述了他們的HyTII過程，而表征和測量材料的結(jié)果發(fā)布在Physical Review B上。

　　在他們的測量中，NRL的研究人員觀察到了大的負磁阻，磁阻的尺寸與氮原子注入的濃度和帶結(jié)構(gòu)的改變相關(guān)，由于氮原子位于晶格中并且性能是固定的，因此可以通過控制氮原子的含量精確調(diào)節(jié)。

　　參與研究的NRL物理學家，論文的第一作者Adam L. Friedman在新聞發(fā)布會上說：“這些設(shè)備的測量結(jié)果強烈表明，我們最終制成了帶有可調(diào)帶隙的石墨烯薄膜，同時兼有低缺陷密度和高穩(wěn)定性的特點。因此，我們推測HyTII石墨烯薄膜在電子或自旋電子這些要求高質(zhì)量石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域會有著巨大的潛力?！?/p>