一种调控高定向热解石墨表面缺陷位电荷密度和缺陷位数量的方法技术

本发明专利技术提供了一种调控高定向热解石墨表面缺陷位电荷密度和缺陷位数量的方法，属于石墨调控技术领域。本发明专利技术通过限定离子束的能量，轰击HOPG表面能够形成原子级别点缺陷结构，避免能量过大破坏石墨表面；通过控制扫描隧道测试的偏压，改变缺陷位电荷密度和缺陷位数量，氮离子经过低能轰击后会与高定向热解石墨表面碳原子形成C

【技术实现步骤摘要】
一种调控高定向热解石墨表面缺陷位电荷密度和缺陷位数量的方法


[0001]本专利技术涉及石墨调控
，尤其涉及一种调控高定向热解石墨表面缺陷位电荷密度和缺陷位数量的方法。

技术介绍

[0002]在石墨中，每个碳原子有四个价电子，三个参与形成共价键，第四个电子形成π键。相邻层间通过弱的范德华力相互作用。石墨是最简单的二维晶体，在理论与实验上都有广泛研究。天然的石墨包含很多缺陷结构，这会影响它的电学性能。在大约3300K下，在压缩应力下，退火裂解石墨就可以制得高定向热解石墨(HOPG)，它具有最高度的三维有序性，杂质水平可以控制到10ppm或者更低。HOPG是高度稳定的材料，它在空气中500℃下可以保持稳定，在20～30万℃的真空下可以保持稳定，而且HOPG展示了高的化学惰性。
[0003]氮、氩原子轰击HOPG的过程引起科学家的广泛关注，通过这一过程得到丰富的电子结构及传输特性。这种特殊结构的形成过程近年来被各种手段广泛研究，其中包括扫描隧道显微镜(STM)、透射电子显微镜(TEM)、低能电子衍射(LEED)、X射线衍射、密度泛函理论RY(DFT)等。研究轰击之后的HOPG微观结构和电子态密度过程十分重要，因为轰击可改变HOPG的力热光电磁各方面性质，但是现有技术中没有关于如何调控HOPG表面上点缺陷电子态密度的方法。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种调控高定向热解石墨表面上缺陷位电荷密度和缺陷位数量。本专利技术实现了改变HOPG表面上缺陷位电荷密度和缺陷位数量。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0006]本专利技术提供了一种调控高定向热解石墨表面缺陷位电荷密度和缺陷位数量的方法，包括以下步骤；
[0007]将钨丝在无机碱性溶液进行电化学腐蚀后退火脱气，得到扫描隧道显微镜探针；
[0008]利用氮离子束低能轰击高定向热解石墨表面，得到轰击后高定向热解石墨，所述氮离子束的能量为230～250eV；
[0009]利用所述扫描隧道显微镜探针对所述轰击后高定向热解石墨进行扫描隧道测试，实现对高定向热解石墨表面上缺陷位电荷密度和缺陷位数量的调控，所述扫描隧道测试的偏压为0.03～1V。
[0010]优选地，所述氮离子束的流量是0.1～0.3nA/cm2。
[0011]优选地，所述扫描隧道测试的隧穿电流为0.2～2nA。
[0012]优选地，所述电化学腐蚀的电压为8～10V，时间为15～20min。
[0013]优选地，所述退火脱气的温度为450～500K，时间为30～35min，真空度为1
×
10-9
mbar～9
×
10-9
mbar。
[0014]优选地，所述无机碱性溶液为氢氧化钠溶液，所述氢氧化钠溶液的浓度为1.8～2.2mol/L。
[0015]优选地，所述低能轰击的时间为3～6s。
[0016]优选地，所述低能轰击时的压强为4
×
10-5
～6
×
10-5
mbar。
[0017]优选地，所述偏压为0.1、0.146、0.2、0.4、0.5或0.8V。
[0018]优选地，所述高定向热解石墨的大小为5mm
×
3mm。
[0019]本专利技术提供了一种调控高定向热解石墨表面上缺陷位电荷密度和缺陷位数量的方法，包括以下步骤；将钨丝在无机碱性溶液进行电化学腐蚀后退火脱气，得到扫描隧道显微镜探针；利用氮离子束低能轰击高定向热解石墨表面，得到轰击后高定向热解石墨，所述氮离子束的能量为230～250eV；利用所述扫描隧道显微镜探针对所述轰击后高定向热解石墨进行扫描隧道测试，实现对高定向热解石墨表面上缺陷位电荷密度和缺陷位数量的调控，所述扫描隧道测试的偏压为0.03～1V。本专利技术利用钨丝制备扫描隧道显微镜探针，钨有高的电导率和机械强度，容易被刻蚀，制得的扫描隧道显微镜探针在针尖末端只有一个或多个原子，能够实现对缺陷位(点缺陷)电荷密度和缺陷位数量的调控；本专利技术通过限定了氮离子束的能量，实现低能轰击，在HOPG表面能够形成原子级别点缺陷结构，避免了能量过大破坏石墨表面；通过控制扫描隧道测试的偏压，改变点缺陷位电荷密度和缺陷位数量，氮离子经过低能(离子束的能量为230～250eV)轰击后会与高定向热解石墨表面碳原子形成C-N键，局部会出现n型掺杂状态，氮元素所带的额外电子会增加点缺陷附近的电子态密度，在增加扫描隧道测试偏压的过程中，额外电子所提供的电子轨道可以使更多电子占据，因此点缺陷周围的电子态密度会逐步增大至满态而后结束变化，电子态密度影响范围也随着偏压的增加而增大，改变偏压之后，部分点缺陷会在正偏压下呈现高电子态密度，部分点缺陷是在低偏压下呈现高电子态密度，部分点缺陷的电子态密度不随偏压值的改变而改变，即实现了对点缺陷的数量调控。且本专利技术进行扫描隧道测试，扫描隧道测试得到的STM图像精度高。
附图说明
[0020]图1为实施例1定向热解石墨不同阶段的STM图像，其中(a)为氮离子轰击后HOPG的原子分辨率STM图像，扫描尺寸5.04nm
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6.77nm；(b)为偏压0.5V，隧穿电流0.6nA；(c)偏压0.146V，隧穿电流0.6nA；
[0021]图2为实施例1中不同调控过程后的STM图像，其中(a)的扫描区域为150nm
×
150nm，偏压为+0.4V，隧穿电流为0.6nA；(b)的扫描区域为150nm
×
150nm，偏压为-0.4V，隧穿电流为0.6nA，(b)中的亮点是HOPG(0111)表面的点缺陷，其中1和2代表一型和二型缺陷(氮掺杂缺陷)，3代表三型缺陷(碳氮间隙缺陷)；
[0022]图3为图2中一型缺陷的电压测试STM图像，其中(a)的偏压为+0.5V，隧穿电流为0.5nA，扫描区域为100
×
100nm；(b)的偏压为-0.5V，隧穿电流为0.5nA，扫描区域为100
×
100nm，(c)到(l)是(a)和(b)中方形缺陷的高分辨率STM图像，(c)的偏压是+0.03eV，隧穿电流是0.2nA，测量范围是15nm
×
15nm，(d)的偏压是-0.03eV，隧穿电流是0.2nA，测量范围是15nm
×
15nm，(e)的偏压是-0.1eV，隧穿电流是0.2nA，测量范围是15nm
×
15nm，(f)的偏压是+0.1eV，隧穿电流是0.2nA，测量范围是15nm
×
15nm，(g)的偏压是-0.2eV，隧穿电流是
0.2nA，测量范围是15nm
×
15nm，(h)的偏压是+0.2eV，隧穿电流是0.2nA，测量范围是15nm
×
15nm，(i)的偏压是-0.4eV，隧穿电流是0.2nA，测量范围是15nm...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种调控高定向热解石墨表面缺陷位电荷密度和缺陷位数量的方法，其特征在于，包括以下步骤；将钨丝在无机碱性溶液进行电化学腐蚀后退火脱气，得到扫描隧道显微镜探针；利用氮离子束低能轰击高定向热解石墨表面，得到轰击后高定向热解石墨，所述氮离子束的能量为230～250eV；利用所述扫描隧道显微镜探针对所述轰击后高定向热解石墨进行扫描隧道测试，实现对高定向热解石墨表面上缺陷位电荷密度和缺陷位数量的调控，所述扫描隧道测试的偏压为0.03～1V。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氮离子束的流量是0.1～0.3nA/cm2。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扫描隧道测试的隧穿电流为0.2～2nA。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电化学腐蚀的电压为8～10V，时间为15～20min。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述退火脱气的温度为450～5...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文超，高健智，张鑫，丁浩轩，
申请(专利权)人：陕西师范大学，
类型：发明
国别省市：