在石墨烯中產生帶隙已成為現實

【中國化工儀器網 技術前沿】多年來，研究人員已經發明了很多在石墨烯中產生帶隙的方法，但仍存在不少反對在數字電子器件中使用石墨烯的人，他們堅稱石墨烯缺乏固有的帶隙，不過近期的新研究成果表明，他們的反對並沒有實際意義上的效果。

在石墨烯中產生帶隙已成為現實

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

氮摻雜一直都是在石墨烯里產生穩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。現在，美國海軍研究實驗室(NRL)的研究人員已經開發出了新的石墨烯氮摻雜技術，該項技術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，並且穩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在接受電子郵件採訪時解釋說，「氮摻入石墨烯晶格已經能夠通過其他技術完成，包括在生長期和後生長期的退火工藝等。不過，目前已採用的技術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)。在一般情況下雜質的置換，比如氮，如果沒有額外缺陷的話會是修改能帶結構的理想摻雜，因為它最好地保持了石墨烯的基本傳輸能力。」

氮原子作為石墨烯摻雜劑，具有十分特殊的性質。這是基於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時，所有的鍵都保持完整，並且有額外的電子可以在整個石墨烯層內自由移動。這增加了材料中電子的濃度(也稱為n型摻雜)，也相應地增強了導電性。

先前的研究已經發現，在石墨烯中製造點缺陷(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，儘管缺陷散射的增加會降低電子的傳輸。」

儘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的研究人員已經使用了超高溫離子注入(HyTII)技術來摻入氮原子。由於氮原子和碳原子有著類似的質量和尺寸，成功替換的概率大大提高。

NRL的研究人員已經在ACS Nano期刊上描述了他們的HyTII過程，而表徵和測量材料的結果發布在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構的改變相關，由於氮原子位於晶格中並且性能是固定的，因此可以通過控制氮原子的含量精確調節。

參與研究的NRL物理學家，論文的第一作者Adam L. Friedman在新聞發布會上說：「這些設備的測量結果強烈表明，我們最終製成了帶有可調帶隙的石墨烯薄膜，同時兼有低缺陷密度和高穩定性的特點。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量石墨烯的應用領域會有著巨大的潛力。」

（原標題：新工藝讓石墨烯擁有可調、穩定帶隙成為可能）

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