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石墨烯掺杂技术三大方法解析

在石墨烯这种特殊材料出现后,各种科学家开始疯狂地以它为研究对象展开各种性质的探讨。对于石墨烯的掺杂技术,现在的科学研究也有许多方法,当然他们各自的优缺点也是至关重要的,因为这将影响石墨烯的掺杂效果。下面便是其中一些常用的技术方法。

石墨烯,这个大家熟悉又陌生的特殊物质,在2004年英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·海姆(AndreGeim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(KonstantinNovoselov)在实验室巧妙地用机械剥离法制得今天备受瞩目的二维结构的石墨烯,并因此也获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

当然,在石墨烯这种特殊材料出现后,各种科学家开始疯狂地以它为研究对象展开各种性质的探讨。当他们的研究成果公之于众时,石墨烯的新奇的特殊性质也不得不使我们瞠目结舌。对于其力学性质,曾经美国一位名叫杰弗雷.基萨的机械工程师提出了这样一个比喻——如果有一张和保鲜膜一样薄的石墨烯薄膜,然后想用一根很尖锐的铅笔去戳穿它,那得需要有一头大象站在这根铅笔上使力,才能将其戳穿。这样可想而知,他拥有多么独一无二而又强大的力学性质。

石墨烯掺杂技术三大方法解析

更值得关注的是,它的电学性质也十分奇特。实验表明,石墨烯所有的电子的运动速率大约都是光子的1/300,这远远超过了电子在以半导体中的速度,使它具有超强的导电性。然而,由于石墨烯是带隙为零的良导体,我们便不能有效地调控它的电学特性,从而不能将它广泛运用在电子器件之中。因此,我们需要采取特殊手段来调整石墨烯的带隙,使之具备半导体特性,然而,其中最有效的方法之一便是向石墨烯中掺入杂质原子。

对于石墨烯的掺杂技术,现在的科学研究也有许多方法,当然他们各自的优缺点也是至关重要的,因为这将影响石墨烯的掺杂效果。下面便是其中一些常用的技术方法。

化学气相沉淀法(亦叫CVD法)

化学气相沉淀,顾名思义,利用化学气体进行反应,之后的生成物再沉淀在衬底上以制备所需的物质。

在石墨烯的掺杂过程中,若用此法,可以大大提高效率。因为目前最有效的制备石墨烯薄膜的方法之一就是利用CVD法来制备,然而,如果我们在制备石墨烯的过程当中就加入掺杂原子,这样制出的掺杂石墨烯掺杂效率将更高。

我们就拿制备掺氮石墨烯的过程举例吧。在利用CVD法制备掺氮石墨烯的时候,是利用甲烷(CH4)和氨气(NH3)来提供碳源和氮源在特殊的反应炉里发生高温的氧化还原反应。气态的甲烷和氨气进行反应后生成的C在高温下也呈气态,在遇到衬底后会薄薄地附在衬底表面,由于反应气体中还有N原子,它在反应当中也是有很大作用的。在C原子沉淀在衬底的途中,因为N原子的数量也是不可忽略的,它也会随着C原子一起沉淀到衬底上,这样最终在衬底上生成的物质就是碳原子、碳原子混合薄膜,也就是我们想要制备的掺氮石墨烯薄膜。

我们可以发现,这种方式制备起来效率较高,且操作也不是很困难。但就是设备技术要求较高,需要相应的一些高水平的设备才能精确无误地实现该实验,成本也是相当高的。

离子注入法

要使用该方法,前提是已经拥有了一张制备好的石墨烯薄膜了。因为该方法是基于石墨烯薄膜来实现的。而该方法的操作也不是很复杂,但需要一台高能离子注入设备。我们将准备好的石墨烯薄膜置入离子注入机内,之后利用离子注入机将所需掺入的杂质原子以高能粒子束的方式注入到石墨烯薄膜中。

该方法的原理其实也不难理解。我们知道,晶体表面都存在缺陷。所谓缺陷,就是晶体表面的原子排布序列出现异常,比如出现空缺等。而这样的空缺位置对于掺杂来说是相当重要的,因为我们正是要将杂质原子给“安装”在这些空缺位置中以来填补这些空位,使这个到处是空洞的晶体表面又被填的饱满,最后也就完成了掺杂的目的。而高能粒子束具备两个功能,一个是“高能”,而另一个是“粒子束”,为什么这么说呢?因为“高能”是为了让该粒子束具有高能量,以使之能够有足够能量破坏石墨烯中C原子环的结构,使某些C连接断开而制造出“空位”。而“粒子束”是为了提供杂质原子,将产生的空位迅速填补上杂质原子,最终以制得掺杂的石墨烯。

但是该方法任然存在和上面一个方法相同的问题——对于设备技术要求较高,成本花费也比较大。

氧化石墨烯掺杂法

利用该法制备掺杂石墨烯所需要准备的是氧化石墨烯薄膜。而氧化石墨烯的制备比石墨烯的制备就要简单且耗费也不大,并且制备条件也不用高温等的苛刻条件,室温下便可进行(当然,最后还是要稍稍高温将制备的氧化石墨烯溶液烘烤成膜,但温度远没制石墨烯的高)。当有了氧化石墨烯薄膜,(我们仍以掺氮石墨烯为例)便可将该膜和一些含氮化合物如尿素或三聚氰胺等放入相应的反应炉中进行高温反应。由于含氮化合物在高温下会分解出许多含氮气体(如氨气等),他们会与氧化石墨烯表面的含氧官能团(如羧基等)发生相应的有机反应,以生成含氮的官能团,从而达到掺杂的目的。

由此过程我们可以发现,该方法过程较前两者复杂些,不过最大的优点就是成本较低。但是该法最大的缺点就是最后制备的掺杂石墨烯可能会含有我们不希望出现的杂质原子,如氧原子等,这也是该法最致命的的缺点。而这些非理想杂质的掺入势必会影响整个理想掺杂石墨烯的特性,给随后的实验带来许多未知的困难。所以还是那句话,“一分钱一分货”。但是,对于一些实验精度要求不是特别高的,且资金不是很充裕的情况下,可以适当考虑该法。

现在,关于掺杂石墨烯的研究和应用也越来越多,其中有很多科学家以制备的掺杂石墨烯为核心材料而制备出了各种MOS管、光电管等,并且对他们所具备的特性进行了详细的研究,也发现了许多独特的优势。这样看来,掺杂石墨烯在材料领域以及电子领域拥有潜质性的发展及应用,甚至可能在某些方面能够改变我们的生活,哪怕是一点点,也将是一个巨大的成功。

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