[發明專利]二維碳氮單晶合金及其制備方法

有效

• 申請號: 201310557207.4
• 申請日: 2013-11-11
• 公開（公告）號: CN104630894A
• 公開（公告）日: 2015-05-20
• 發明（設計）人: 曾長淦;張振宇;張匯;崔萍
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: C30B29/52
• 分類號: C30B29/52;C30B29/60;C30B25/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 賀衛國

技術領域

本發明屬于碳材料的技術領域，具體涉及一種二維碳氮單晶合金及其制備方法。

背景技術

石墨烯(Graphene)是一種單層碳原子呈六方晶格排列的新型納米材料。2004年英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈蓋姆(Andre?Geim)和康斯坦丁諾沃肖羅夫(Konstantin?Novoselov)通過“微機械剝離法”得到了單層石墨烯(參見文獻K.S.Novoselvo?et?a1.，Electric?Field?Effect?in?Atomically?Thin?Carbon?Films，Science，2004，306，666-669.)，并因此獲得了2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯有著很多不同于傳統半導體材料的特別的性質，如高熱導率(～5000W/mK)，高載流子遷移率(～200000cm²V^-1s^-1)等。這些性質使得石墨烯材料在能量存儲、電催化、傳感器以及電子產品方面有著非常廣泛的應用前景。

然而對于本征的石墨烯而言，雖然具有高的遷移率，但其載流子濃度卻很低，因而限制了石墨烯在半導體器件中的應用。近些年來，科研人員希望通過各種手段來調控石墨烯的載流子濃度。在這當中，對石墨烯進行化學摻雜和修飾一直是一種重要的調控方法。通過化學摻雜，例如氮元素的摻雜，可以有效地調節石墨烯的費米面的位置以及石墨烯的載流子類型等。(參見文獻Theanne?Schiros?et?al.，Connecting?Dopant?Bond?Type?with?Electronic?Structure?in?N-Doped?Graphene.Nano?Letters，2012，12，4025-4031.)。

氮原子摻雜進石墨烯的晶格內通常有三種成鍵方式，包括石墨型氮、吡啶型氮和吡咯型氮(參見文獻D.Uhachov?et?al.，Nitrogen-Doped?Graphene：Efficient?Growth，Structure，and?Electronic?Properties.Nano?Letters，2011，11，5401-5407.)。在這當中，石墨型氮是最常見的氮摻雜方式，它指的是氮原子取代了苯六元環里的碳原子。目前將氮原子摻雜進石墨烯中可通過偏析生長方法、溶劑熱法和電弧放電方法等途徑。但這些方法有很多缺點，例如氮的摻雜含量少，氮的摻雜位置無序等。無序的氮摻雜也會使載流子在輸運過程中受到散射，從而導致材料的載流子遷移率降低。

發明內容

本發明的一個實施方案是一種二維碳氮單晶合金，所述二維碳氮單晶合金包含石墨烯的碳骨架和摻雜氮原子，其中所述摻雜氮原子在所述石墨烯的碳骨架中取代部分碳原子形成氮的二維超晶格結構，所述超晶格的晶格大小為0.4納米至0.5納米。

在本發明的一個實施方案中，所述超晶格由六方晶格構成。

在本發明的一個實施方案中，氮原子有序摻雜在石墨烯的骨架中。

在本發明的另一個實施方案是一種二維碳氮單晶合金的制備方法，所述方法包括以下步驟：a)對金屬襯底表面進行處理，以獲得平整干凈的表面；b)加熱所述平整干凈的表面；c)在所加熱的表面上沉積一層前驅體分子；d)繼續加熱維持溫度以形成二維碳氮單晶合金；其中所述前驅體分子為全鹵代吡啶分子。

在本發明的一個實施方案中，全鹵代吡啶分子為五氯吡啶分子、五溴吡啶分子、五碘吡啶分子，優選五氯吡啶分子。

在本發明的一個實施方案中，金屬襯底為銅。

在本發明的一個實施方案中，步驟a)中的處理為氬離子濺射處理。

在本發明的一個實施方案中，銅襯底的表面為(111)晶面。

在本發明的一個實施方案中，在步驟b)中加熱所述平整干凈的表面至100至400℃。

在本發明的一個實施方案中，步驟a)-d)在高真空環境完成，真空度為1×10^-3至1×10^-8帕。

在本發明的一個實施方案中，在沉積前驅體分子時，將前驅體分子的氣壓控制在1帕至1×10^-7帕。

在本發明的一個實施方案中，步驟d)中的加熱持續5分鐘至2小時。

在本發明的一個實施方案中，存在以下特點：

1.通過在高真空環境下(真空度為1×10^-3至1×10^-8帕)生長，可以減少雜質混入生長的樣品內，有利于得到高純度的二維碳氮單晶合金。