国家纳米科学中心石墨烯可控掺杂研究取得新进展

2010-12-09 14:01 来源: 中国科学院
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  石墨烯,这一2004年发现的碳晶体家族中的新成员,集多种优异特性于一身,其电子迁移率高于硅材料两个级数表明石墨烯有望替代半导体工业中的硅材料。然而,石墨烯为零带隙半导体,因此能否有效调控其电学性质决定着这种新材料在微电子等行业的应用前途。

  掺杂被认为是调控石墨烯电学性质的有效手段之一,但石墨烯完整的二维蜂窝状结构给其掺杂带来很大困难。为了解决这一难题,国家纳米科学中心宫建茹研究组采用离子注入技术,通过高能离子轰击使石墨烯产生碳原子空位缺陷。然后,在氨气气氛中高温退火,利用氨气分解产生的氮原子来填补碳原子空位缺陷,实现了在石墨烯中氮原子的掺杂。由氮原子掺杂后的石墨烯制备的场效应器件具有n型导电性质,进一步证实了氮原子的掺杂效果。另外,通过调节离子注入剂量、退火温度等条件,能够实现精确可控的原子掺杂,对石墨烯的理论研究和实际应用都具有重要意义。

  相关研究结果已发表在2010年的Nano Letters上(Nano Lett. 2010, 10, 4975–4980.),并被Nature Publishing Group (NPG) Asia Materials做为特色研究进行报道。

  除石墨烯纳米器件的物理性质研究外,该研究组还将纳米器件应用于传感领域,能够实现无标记高灵敏度的生物分子检测,其结果发表在Small 2010, 6(8), 967-973。

  上述研究工作得到中国科学院、国家自然科学基金委以及科技部项目的支持。

   

左:石墨烯场效应晶体管示意图;中:本征石墨烯的Gsd-Vg曲线;右:氮掺杂石墨烯的Gsd-Vg曲线。从中到右的数据表明石墨烯实现了从p型到n型的转变。