中國(guó)粉體網(wǎng)訊 石墨烯材料因其特殊的能帶結(jié)構(gòu)、超高的遷移率和新奇的輸運(yùn)特性，成為探索新物性、研制新型量子電子器件的理想體系。其中，對(duì)于石墨烯摻雜體系輸運(yùn)特性的研究有助于理解摻雜石墨烯中的載流子輸運(yùn)特性和散射機(jī)制，在石墨烯材料和電子器件性能優(yōu)化方面具有重要指導(dǎo)意義。
近日，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院、固態(tài)量子器件北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室徐洪起教授課題組與北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院劉忠范教授課題組合作，通過(guò)優(yōu)化摻雜石墨烯的生長(zhǎng)方法，成功合成了高遷移率、氮原子替位式摻雜的石墨烯材料，并成功制備出氮摻雜石墨烯量子電子器件。測(cè)量表明，所獲得的摻雜石墨烯材料在室溫下的遷移率達(dá)到1.0×104 cm2•V-1•S-1。
（a）石墨烯能帶結(jié)構(gòu)及谷間散射過(guò)程和氮摻石墨烯器件示意圖；（b）實(shí)驗(yàn)測(cè)得的主要散射常數(shù)揭示了氮摻石墨烯中電子和空穴的谷間散射的不對(duì)稱(chēng)性
通過(guò)系統(tǒng)、深入的研究，聯(lián)合課題組發(fā)現(xiàn)氮摻雜石墨烯的量子輸運(yùn)特性呈現(xiàn)明顯的電子-空穴不對(duì)稱(chēng)性。他們研究了不同摻雜濃度、不同載流子種類(lèi)、不同載流子濃度、不同溫度下的輸運(yùn)特性，分析、提取了相干散射時(shí)間、谷內(nèi)散射時(shí)間和谷間時(shí)間等重要物理參數(shù)，證明了氮摻雜所引入的帶電雜質(zhì)相對(duì)于空穴而言，更易造成對(duì)電子的大角散射，從而導(dǎo)致石墨烯電荷輸運(yùn)過(guò)程中電子-空穴對(duì)稱(chēng)性的破缺。這項(xiàng)工作是首次對(duì)高遷移率氮摻雜石墨烯中載流子散射機(jī)制的精細(xì)研究，揭示了石墨烯中帶電雜質(zhì)對(duì)量子相干散射的重要影響，為發(fā)展高品質(zhì)的石墨烯摻雜材料和電子器件提供了物理基礎(chǔ)，對(duì)于研制石墨烯電子學(xué)和谷電子學(xué)（valleytronics）器件具有重要指導(dǎo)作用。
相關(guān)研究結(jié)果以《氮摻雜石墨烯中的電子-空穴非對(duì)稱(chēng)性散射》（Electron−hole symmetry breaking in charge transport in nitrogen-doped graphene）為題，于2017年5月發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)•納米》（ACS Nano；DOI: 10.1021/acsnano.7b00313）。北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院博士研究生李佳玉、化學(xué)學(xué)院博士研究生林立為共同第一作者，徐洪起教授、信息學(xué)院康寧副教授和劉忠范教授為并列通訊作者。
上述研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家自然科學(xué)重大研究計(jì)劃的支持。
