近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室国际功能材料量子设计中心博士崔萍与教授李震宇、曾长淦等校内外同行合作，在氮掺杂石墨烯生长的原子尺度机理研究方面取得新进展，通过理论计算预言了利用芳香性分子C5NCl5在Cu(111)表面上可自组装实现高浓度、高有序的氮掺杂石墨烯。该研究成果以A Kinetic Pathway toward High-Density Ordered N Doping of Epitaxial Graphene on Cu(111) Using C5NCl5 Precursors 为题5月12日在线发表在《美国化学会志》。
石墨烯在其费米面附近形成狄拉克锥，电子能量与波矢呈线性关系，载流子迁移率高达~200000cm2V-1s-1。这些性质使得石墨烯在许多领域有着非常广泛的应用前景。然而，本征石墨烯虽然具有高的载流子迁移率，但作为半金属，载流子浓度很低，大大限制了其在半导体器件中的应用。近年来，人们试图通过各种手段来调控石墨烯的载流子浓度，其中化学掺杂和修饰是重要的调控方法。通过化学掺杂，例如氮元素的掺杂，可以有效地调节石墨烯费米面的位置，从而增加载流子浓度。但是，目前氮掺杂石墨烯的制备还存在很多问题，例如氮的掺杂浓度偏低、掺杂位置无序等，后者也使载流子在输运过程中遭遇更强的散射，导致载流子迁移率大大降低。因此，如何可控地生长制备高浓度、高有序的氮掺杂石墨烯是一个极富挑战性的难题。
针对这一难题，崔萍与合作者通过第一性原理计算预言，利用C5NCl5分子在Cu(111)表面上自组装可获得高氮掺杂浓度(1/6)、氮原子排列更有序的石墨烯，并揭示了在生长过程中基于三种原子/分子间力的协同作用的原子尺度机理(如图所示)。首先，作为芳香性分子，C5NCl5与Cu衬底之间较强的范德瓦尔斯作用力可大大升高分子在Cu衬底上的吸附能，使得在相对低的过饱和气压下即可实现低温生长。其次，由于C-Cl键较弱，吸附的C5NCl5脱氯比通常利用碳氢化合物前驱体生长石墨烯过程中的脱氢反应更容易，可实现快速、连续脱氯，进而在Cu衬底上形成大量的C5N自由基。第三，C5N自由基在Cu上的转动和扩散能垒都相对较低，同时这些自由基带有相同的电荷，彼此之间存在长程库仑排斥力，这种排斥力可影响C5N在Cu衬底上自组装时的整体取向，形成相对更有序的结构。另一方面，C5N通过所带的氮原子的“钉扎”作用可有效限制其在Cu(111)上的取向，也有利于抑制生长过程中晶界的形成。基于这种生长方法，有望制备出高度有序的氮掺杂石墨烯合金单晶，从而获得具有高载流子浓度、高迁移率等特点的二维金属。
此外，崔萍近期在二维材料体系的生长机理、形貌控制与物性优化研究中做出了一系列原创性工作。其中，作为主要(第一或通讯)作者继去年在石墨烯纳米条带自旋电子学和石墨烯受限催化的两项研究之后，今年在过渡金属二硫族化合物的边缘重构机理与可控生长以及单层蓝磷的生长机理等方面又取得了一系列新进展，部分理论预言已被实验所验证。这些工作有望在二维材料的研究中产生深远影响。
上述研究得到了国家自然科学基金委、科技部、中科院和教育部的资助。
通过分子自组装实现高浓度、高有序的石墨烯氮掺杂的动力学机理示意图
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