二维碳氮单晶合金及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种二维碳氮单晶合金，所述二维碳氮单晶合金包含石墨烯的碳骨架和掺杂氮原子，其中所述掺杂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维超晶格结构，所述超晶格的晶格大小为0.4纳米至0.5纳米。本发明专利技术还提供一种二维碳氮单晶合金的制备方法，所述方法包括以下步骤：a)对金属衬底表面进行处理，以获得平整干净的表面；b)加热所述平整干净的表面；c)在所加热的表面上沉积一层前驱体分子；d)继续加热维持温度以形成二维碳氮单晶合金；其中所述前驱体分子为全卤代吡啶分子。

【技术实现步骤摘要】
二维碳氮单晶合金及其制备方法
本专利技术属于碳材料的
，具体涉及一种二维碳氮单晶合金及其制备方法。
技术介绍
石墨烯(Graphene)是一种单层碳原子呈六方晶格排列的新型纳米材料。2004年英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈盖姆(AndreGeim)和康斯坦丁诺沃肖罗夫(KonstantinNovoselov)通过“微机械剥离法”得到了单层石墨烯(参见文献K.S.Novoselvoeta1.，ElectricFieldEffectinAtomicallyThinCarbonFilms，Science，2004，306，666-669.)，并因此获得了2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯有着很多不同于传统半导体材料的特别的性质，如高热导率(～5000W/mK)，高载流子迁移率(～200000cm2V-1s-1)等。这些性质使得石墨烯材料在能量存储、电催化、传感器以及电子产品方面有着非常广泛的应用前景。然而对于本征的石墨烯而言，虽然具有高的迁移率，但其载流子浓度却很低，因而限制了石墨烯在半导体器件中的应用。近些年来，科研人员希望通过各种手段来调控石墨烯的载流子浓度。在这当中，对石墨烯进行化学掺杂和修饰一直是一种重要的调控方法。通过化学掺杂，例如氮元素的掺杂，可以有效地调节石墨烯的费米面的位置以及石墨烯的载流子类型等。(参见文献TheanneSchirosetal.，ConnectingDopantBondTypewithElectronicStructureinN-DopedGraphene.NanoLetters，2012，12，4025-4031.)。氮原子掺杂进石墨烯的晶格内通常有三种成键方式，包括石墨型氮、吡啶型氮和吡咯型氮(参见文献D.Uhachovetal.，Nitrogen-DopedGraphene：EfficientGrowth，Structure，andElectronicProperties.NanoLetters，2011，11，5401-5407.)。在这当中，石墨型氮是最常见的氮掺杂方式，它指的是氮原子取代了苯六元环里的碳原子。目前将氮原子掺杂进石墨烯中可通过偏析生长方法、溶剂热法和电弧放电方法等途径。但这些方法有很多缺点，例如氮的掺杂含量少，氮的掺杂位置无序等。无序的氮掺杂也会使载流子在输运过程中受到散射，从而导致材料的载流子迁移率降低。
技术实现思路
本专利技术的一个实施方案是一种二维碳氮单晶合金，所述二维碳氮单晶合金包含石墨烯的碳骨架和掺杂氮原子，其中所述掺杂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维超晶格结构，所述超晶格的晶格大小为0.4纳米至0.5纳米。在本专利技术的一个实施方案中，所述超晶格由六方晶格构成。在本专利技术的一个实施方案中，氮原子有序掺杂在石墨烯的骨架中。在本专利技术的另一个实施方案是一种二维碳氮单晶合金的制备方法，所述方法包括以下步骤：a)对金属衬底表面进行处理，以获得平整干净的表面；b)加热所述平整干净的表面；c)在所加热的表面上沉积一层前驱体分子；d)继续加热维持温度以形成二维碳氮单晶合金；其中所述前驱体分子为全卤代吡啶分子。在本专利技术的一个实施方案中，全卤代吡啶分子为五氯吡啶分子、五溴吡啶分子、五碘吡啶分子，优选五氯吡啶分子。在本专利技术的一个实施方案中，金属衬底为铜。在本专利技术的一个实施方案中，步骤a)中的处理为氩离子溅射处理。在本专利技术的一个实施方案中，铜衬底的表面为(111)晶面。在本专利技术的一个实施方案中，在步骤b)中加热所述平整干净的表面至100至400℃。在本专利技术的一个实施方案中，步骤a)-d)在高真空环境完成，真空度为1×10-3至1×10-8帕。在本专利技术的一个实施方案中，在沉积前驱体分子时，将前驱体分子的气压控制在1帕至1×10-7帕。在本专利技术的一个实施方案中，步骤d)中的加热持续5分钟至2小时。在本专利技术的一个实施方案中，存在以下特点：1.通过在高真空环境下(真空度为1×10-3至1×10-8帕)生长，可以减少杂质混入生长的样品内，有利于得到高纯度的二维碳氮单晶合金。2.通过控制前驱体分子束流强度，可以控制二维碳氮单晶合金薄膜厚度。前驱体分子束的强度可以通过微漏阀的开关大小来决定。在本专利技术的一个实施方案中，利用本专利技术的方法生长出的二维碳氮单晶合金与传统的技术生长的氮掺杂石墨烯相比，存在以下优势：1.由于所使用的五氯吡啶分子中碳卤键具有较低的键能，本方案可大幅度降低反应温度。如在文献XinranWangetal.，N-DopingGrapheneThroughElectrothermalReactionswithAmmonio.Science，2009，324，768-771中描述的，传统的生长氮掺杂石墨烯需要在1000度左右的高温，而本方案只需要较低的温度，即100至400度便可以生长所述二维碳氮单晶合金。2.前驱体五氯吡啶分子可以在表面有序自组装。由于吸附分子之间较强且长程的库仑排斥作用，前驱体分子在衬底上可以实现定向有序的自组装。从而最终获得高质量的有序氮掺杂石墨烯，即二维碳氮单晶合金。其中的氮原子在原有的石墨烯的碳骨架中形成超晶格，其晶格常数包括但不限于0.42纳米。该超晶格的晶格常数可以通过生长二维碳氮单晶合金时更换前驱体分子及衬底调节。无序的氮掺杂会使载流子在输运过程中受到散射，导致材料的载流子迁移率降低，而有序掺杂时会减少散射的发生，从而极大增大载流子迁移率。3.与先前报道的无序氮掺杂石墨烯相比，先前随机氮掺杂的石墨烯因氮杂质散射而降低电子迁移率，而所述的二维碳氮单晶合金具有有序的电子浓度分布，从而可使石墨烯在保持好的电子迁移率的同时获得大载流子浓度。在本专利技术的一个实施方案中，公开了一种新型二维碳氮单晶合金的制备方法，该单晶合金具有高载流子浓度、高电导率以及高迁移率等特点。而所述的新型二维碳氮单晶合金还具有氮元素含量高、氮原子排列有序等优点。该单晶合金的制备主要利用了五氯吡啶分子作为前驱体分子，并以金属单晶(111)的晶面作为衬底，利用分子的二维有序自组装，来实现在原有石墨烯的碳骨架中掺杂的氮原子的有序排列，即掺杂的氮原子在原有的石墨烯的碳骨架中形成超晶格，从而构造出了这种新型二维碳氮单晶合金材料。本专利技术公开的新型二维碳氮单晶合金的制备方法是，在加热的已处理干净的金属单晶(111)面上沉积一层前驱体分子，并加热一段时间后可构造出这种新型二维碳氮单晶合金材料。由于制备所述的这种新型二维碳氮单晶合金材料的前驱体分子中的碳卤键键能低，因此制备时反应温度低，方法简单易行。所述的新型二维碳氮单晶合金可广泛用于新一代的半导体电子器件，高电导率透明电极以及自旋电子器件的设计与制造。附图说明图1是本专利技术用于制备二维碳氮单晶合金材料的前驱体分子，五氯吡啶分子；图2(a)是本专利技术利用五氯吡啶前驱体分子制备的二维碳氮单晶合金的结构的示意图；图2(b)是本专利技术制备的未满层的二维碳氮单晶合金材料的扫描隧道显微镜图。虚线所示为铜(111)表面的晶格，实线所示为二维碳氮单晶合金材料的晶格。图3是本专利技术中制备二维碳氮单晶合金材料方案的流程图。图4是本专利技术制备的图2(a)中所示的二维碳氮单晶合金材料的扫描隧道显微镜图。图5(a)是本专利技术制备的二维碳氮单晶合金本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二维碳氮单晶合金，所述二维碳氮单晶合金包含石墨烯的碳骨架和掺杂氮原子，其中所述掺杂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维超晶格结构，所述超晶格的晶格大小为0.4纳米至0.5纳米。

【技术特征摘要】
2013.11.07 CN 20131055291591.一种二维碳氮单晶合金，所述二维碳氮单晶合金包含石墨烯的碳骨架和掺杂氮原子，其中所述掺杂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维超晶格结构，所述超晶格的晶格大小为0.4纳米至0.5纳米。2.权利要求1所述的二维碳氮单晶合金，其中所述超晶格基本上由六方晶格构成。3.权利要求1所述的二维碳氮单晶合金，其中氮原子有序掺杂在石墨烯的骨架中。4.一种二维碳氮单晶合金的制备方法，所述方法包括以下步骤：a)对金属衬底表面进行处理，以获得平整干净的表面；b)加热所述平整干净的表面；c)...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾长淦，张振宇，张汇，崔萍，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34