中國(guó)粉體網(wǎng)訊 近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室國(guó)際功能材料量子設(shè)計(jì)中心博士崔萍與教授李震宇、曾長(zhǎng)淦等校內(nèi)外同行合作，在氮摻雜石墨烯生長(zhǎng)的原子尺度機(jī)理研究方面取得新進(jìn)展，通過理論計(jì)算預(yù)言了利用芳香性分子C5NCl5在Cu(111)表面上可自組裝實(shí)現(xiàn)高濃度、高有序的氮摻雜石墨烯。該研究成果以A Kinetic Pathway toward High-Density Ordered N Doping of Epitaxial Graphene on Cu(111) Using C5NCl5 Precursors 為題5月12日在線發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》[J. Am. Chem. Soc. 2017. DOI: 10.1021/jacs.6b12506]。
通過分子自組裝實(shí)現(xiàn)高濃度、高有序的石墨烯氮摻雜的動(dòng)力學(xué)機(jī)理示意圖
石墨烯在其費(fèi)米面附近形成狄拉克錐，電子能量與波矢呈線性關(guān)系，載流子遷移率高達(dá)~200000 cm2V-1s-1。這些性質(zhì)使得石墨烯在許多領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景。然而，本征石墨烯雖然具有高的載流子遷移率，但作為半金屬，載流子濃度很低，大大限制了其在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用。近年來，人們?cè)噲D通過各種手段來調(diào)控石墨烯的載流子濃度，其中化學(xué)摻雜和修飾是重要的調(diào)控方法。通過化學(xué)摻雜，例如氮元素的摻雜，可以有效地調(diào)節(jié)石墨烯費(fèi)米面的位置，從而增加載流子濃度。但是，目前氮摻雜石墨烯的制備還存在很多問題，例如氮的摻雜濃度偏低、摻雜位置無序等，后者也使載流子在輸運(yùn)過程中遭遇更強(qiáng)的散射，導(dǎo)致載流子遷移率大大降低。因此，如何可控地生長(zhǎng)制備高濃度、高有序的氮摻雜石墨烯是一個(gè)極富挑戰(zhàn)性的難題。
針對(duì)這一難題，崔萍與合作者通過第一性原理計(jì)算預(yù)言，利用C5NCl5分子在Cu(111)表面上自組裝可獲得高氮摻雜濃度(1/6)、氮原子排列更有序的石墨烯，并揭示了在生長(zhǎng)過程中基于三種原子/分子間力的協(xié)同作用的原子尺度機(jī)理(如圖所示)。首先，作為芳香性分子，C5NCl5與Cu襯底之間較強(qiáng)的范德瓦爾斯作用力可大大升高分子在Cu襯底上的吸附能，使得在相對(duì)低的過飽和氣壓下即可實(shí)現(xiàn)低溫生長(zhǎng)。其次，由于C-Cl鍵較弱，吸附的C5NCl5脫氯比通常利用碳?xì)浠衔锴膀?qū)體生長(zhǎng)石墨烯過程中的脫氫反應(yīng)更容易，可實(shí)現(xiàn)快速、連續(xù)脫氯，進(jìn)而在Cu襯底上形成大量的C5N自由基。第三，C5N自由基在Cu上的轉(zhuǎn)動(dòng)和擴(kuò)散能壘都相對(duì)較低，同時(shí)這些自由基帶有相同的電荷，彼此之間存在長(zhǎng)程庫侖排斥力，這種排斥力可影響C5N在Cu襯底上自組裝時(shí)的整體取向，形成相對(duì)更有序的結(jié)構(gòu)。另一方面，C5N通過所帶的氮原子的“釘扎”作用可有效限制其在Cu(111)上的取向，也有利于抑制生長(zhǎng)過程中晶界的形成�；谶@種生長(zhǎng)方法，有望制備出高度有序的氮摻雜石墨烯合金單晶，從而獲得具有高載流子濃度、高遷移率等特點(diǎn)的二維金屬。
此外，崔萍近期在二維材料體系的生長(zhǎng)機(jī)理、形貌控制與物性優(yōu)化研究中做出了一系列原創(chuàng)性工作。其中，作為主要(第一或通訊)作者繼去年在石墨烯納米條帶自旋電子學(xué)[Phys. Rev. Lett. 116, 026802 (2016)]和石墨烯受限催化[Nano Lett. 16, 6058 (2016)]的兩項(xiàng)研究之后，今年在過渡金屬二硫族化合物的邊緣重構(gòu)機(jī)理[Nano Lett. 17, 1097 (2017)]與可控生長(zhǎng)[Nature Commun. 8, 15135 (2017)]以及單層藍(lán)磷的生長(zhǎng)機(jī)理[Phys. Rev. Lett. 118, 046101 (2017)]等方面又取得了一系列新進(jìn)展，部分理論預(yù)言已被實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。這些工作有望在二維材料的研究中產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
上述研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、中科院和教育部的資助。
