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美国海军研究实验室设计了一种生产具有可调带结构的氮掺杂石墨烯低缺陷法

作者:    浏览次数:1318    发布日期:2016-07-06

美国海军研究实验室(NRL)的一组科学家已经证明了高温离子注入(HyTII)可以作为氮原子掺杂石墨烯的有效手段。这种方法可以生产出用于多种设备平台和应用的具有可调带结构的低缺陷薄膜。

据研究,高温离子注入(HyTII)方法提供了包括掺杂浓度的高度控制,并且第一次在双层石墨烯中通过掺杂单层石墨烯显示了注入深度的控制。这进一步表明,所得到的薄膜具有高质量的电子运输性质,这可以仅仅通过改变结构来描述,而不是使用其他方法来对缺陷占主导地位的石墨烯薄膜进行掺杂或功能化。

掺杂或化学官能化可能为石墨烯增加一个可用的传输间隙,从而使之更适合于各种应用。然而,普通的方法往往生产出由无意缺陷困扰的薄膜,具有较低的稳定性或掺杂物和官能团覆盖不均匀,这些都极大限制了其应用并且降低了石墨烯薄膜固有的理想性质。作为替代,美国海军研究实验室的科学家开发了这个具有一定精度的高温离子注入系统,通过直接替换来控制掺杂石墨烯的注入氮(N+)从而实现其掺杂。

在他们的研究中,研究小组确定了可以得到最高分数氮掺杂的高温离子能量范围,同时最大限度地减少缺陷,并且成功地证明了高温离子注入(HyTII)过程中的固有深度控制。为了实现后者,科学家们实施了一个双层石墨烯系统,包括一层天然石墨烯,主要是C-12原子,在含量大于99%的C-13合成的石墨烯上分层。当用拉曼光谱分析时,这种双层材料提供了一个确定被修饰层的方法。

由最佳掺杂范围内的N+处理的薄膜制成的设备显示出从强局域到弱局域的转变,这取决于注入计量,表明注入氮具有改变薄膜固有性质的能力。进一步证明了注入设备优于同类原子掺杂器件的高质量电子,科学家们发现,对温度的依赖性可以通过一个带效应占主导地位的模型来拟合,这个模型同时考虑了由替代掺杂产生的带效应和由缺陷形成产生的类绝缘体效应。

令人惊讶的是,研究人员发现,较高的氮掺杂量可以防止电中性点附近交叉的绝缘行为。在大剂量注入时更有可能形成缺陷,此时缺陷似乎才占主导地位,这进一步表明了真正掺杂的薄膜和之前缺陷/掺杂薄膜之间的差异。研究人员指出:“我们对这些器件的测量结果表明,我们终于制成了一个可协调带隙、低缺陷密度和高稳定性的石墨烯薄膜。我们因此推测,高温离子注入石墨烯薄膜在电子或者自旋电子学应用中有巨大的潜力,这些应用中的高质量石墨烯要求具有一个传输或者带隙和高的载流子浓度。