氮掺杂石墨烯开发了新的低缺陷方法

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跨学科科学家团队已证明高温离子注入（HyTII）是替代掺杂石墨烯的有效手段-六角形排列的单原子厚度碳片-含氮原子。结果是具有可调节带结构的低缺陷薄膜，适用于各种器件平台和应用。

研究表明，HyTII方法提供了高度的控制，包括掺杂浓度，并首次通过在双层石墨烯叠层中掺杂单个单层石墨烯来展示植入的深度控制。这进一步证明了所得到的膜具有高质量的电子传输性质，其可以仅通过带结构的变化而不是使用其他方法掺杂或功能化的石墨烯膜的缺陷主导行为来描述。

NRL材料研究工程师CoryCress博士说：“由于发现单个sp2键合碳原子的原子层（称为石墨烯）可以从大块石墨中分离出来，因此出现了大量显着的电子和自旋电子特性。”“然而，很少有应用即将到来，因为石墨烯缺乏带隙，其掺杂难以控制，使得石墨烯器件仅对高度专业化的器件技术具有竞争力。”

掺杂或化学官能化可以增加可用的传输间隙。然而，这些方法倾向于产生被无意识缺陷所困扰，具有低稳定性或掺杂剂和官能团的不均匀覆盖的膜，这些都极大地限制了它们的有用性并降低了石墨烯膜的固有所需性质。

作为替代方案，NRL科学家利用其辐射效应背景开发了一种超高温离子注入系统，该系统具有必要的精确度和控制能力，可将氮（N+）注入石墨烯，通过直接替代实现掺杂。

“经过几个月的系统开发，该技术的可行性确实取决于第一个实验，”Cress说。“在我们的研究中，我们确定了产生最高氮掺杂比例的高温离子能量范围，同时最大限度地减少了缺陷，我们成功地确认了HyTII过程的固有深度控制。”

为了实现后者，科学家们实施了一种双层石墨烯材料系统，该系统包括一层天然石墨烯，主要是碳-12（12C）原子，层叠在石墨烯上，合成的碳-13（13C）含量超过99％。当用拉曼光谱法分析时，该双层材料提供了识别它们正在修饰哪个层的手段。

在最佳掺杂范围内用N+处理的薄膜制成的器件显示出从强定位到弱定位的转变，这取决于注入剂量，表明注入的氮改变膜的固有性质的能力。进一步证明植入装置的电子质量高于类似的吸附原子的装置，科学家们发现，温度依赖性可以通过一个模型来拟合，该模型考虑了由于替代掺杂引起的带效应和类似绝缘体的效应。缺陷形成，观察到带效应是主要成分。

令人惊讶的是，研究人员发现，较高的氮掺杂量可以防止电荷中性点附近的绝缘行为发生交叉。缺陷似乎仅在大的注入能量下主导行为，其中缺陷更可能，进一步证明了真掺杂薄膜与先前缺陷/掺杂薄膜之间的差异。

“我们对这些器件的测量结果强烈表明，我们最终制造出具有可调带隙，低缺陷密度和高稳定性的石墨烯薄膜，”NRL研究物理学家AdamL.Friedman博士解释道。“因此，我们假设HyTII石墨烯薄膜在高质量石墨烯的电子或自旋电子应用方面具有巨大潜力，其中需要传输或带隙和高载流子浓度。”