中國粉體網(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，對于石墨烯摻雜體系輸運特性的研究有助于理解摻雜石墨烯中的載流子輸運特性和散射機制，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實驗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，通過優(yōu)化摻雜石墨烯的生長方法，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。測量表明，所獲得的摻雜石墨烯材料在室溫下的遷移率達到1.0×104 cm2•V-1•S-1。
（a）石墨烯能帶結(jié)構(gòu)及谷間散射過程和氮摻石墨烯器件示意圖；（b）實驗測得的主要散射常數(shù)揭示了氮摻石墨烯中電子和空穴的谷間散射的不對稱性
通過系統(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特性呈現(xiàn)明顯的電子-空穴不對稱性。他們研究了不同摻雜濃度、不同載流子種類、不同載流子濃度、不同溫度下的輸運特性，分析、提取了相干散射時間、谷內(nèi)散射時間和谷間時間等重要物理參數(shù)，證明了氮摻雜所引入的帶電雜質(zhì)相對于空穴而言，更易造成對電子的大角散射，從而導(dǎo)致石墨烯電荷輸運過程中電子-空穴對稱性的破缺。這項工作是首次對高遷移率氮摻雜石墨烯中載流子散射機制的精細研究，揭示了石墨烯中帶電雜質(zhì)對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-空穴非對稱性散射》（Electron−hole symmetry breaking in charge transport in nitrogen-doped graphene）為題，于2017年5月發(fā)表在《美國化學(xué)會•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家自然科學(xué)基金和國家自然科學(xué)重大研究計劃的支持。
