用化學氣相沉積生長方法合成了摻雜水平高達17.39 at.% 的氮摻雜(N-摻雜)石墨烯薄膜。通過選擇有機分子作為前體，在300至1000°C的溫度范圍內生長，實現了廣泛的可調氮摻雜水平。前驅體中的苯環顯著降低了N-摻雜石墨烯的能量需求。橋頭氮和氨基的摻入保證了高氮摻雜水平，并提供了氮摻雜濃度的可調調制。研究了溫度對氮含量的影響，區分了石墨和吡啶摻雜類型，考慮到摻雜的穩定性和生長機制，每種摻雜類型都有獨特的趨勢。具體來說，石墨摻雜的比例可以從40%調節到100%。值得注意的是，吡咯型氮在較低溫度下不存在，在高溫下幾乎可以忽略不計。因此，我們開發了一種氮摻雜石墨烯生長的合成方法，允許對氮摻雜類型進行選擇性和優先調整。當電學和化學催化應用需要一定摻雜水平的特定氮摻雜時，這種方法特別有利。
圖1. (a)以DAP為前驅體的N-摻雜石墨烯薄膜在銅箔表面的生長過程示意圖(從源分子到作為原子結構的N-摻雜石墨烯薄膜)。(b)轉移到二氧化硅基材上的薄膜的光學顯微鏡圖像；(c)用不同的標記和顏色顯示具有不同生長機制的薄膜的溫度與厚度的關系。
圖2. (a)在800℃的溫度下生長的氮摻雜的石墨烯薄膜的TEM圖像。(b)用箭頭標記的膜邊緣(晶格間距為0.36 nm的邊緣)。(c)具有多晶特征的薄膜的SAED圖像。(d)碳和氮分布繪圖圖像和相應的EDX數據。
圖3. (a)在不同溫度下生長的N-摻雜石墨烯薄膜的拉曼光譜。(b)在不同溫度下生長的N-摻雜石墨烯的
I2D/IG和
ID/IG比率的相關性(灰色區域指石墨烯)。(c) (d)在500℃和800℃的溫度下生長的薄膜的拉曼映射圖像，插圖為相應的分布圖。
圖4. (a)在不同溫度下生長的N-摻雜石墨烯薄膜的譜；(b)溫度與氮摻雜劑濃度的關系。(c)石墨和吡啶含量隨溫度的變化(藍色區域指高溫情況下的不同生長機制)。(d)在500℃溫度下生長的N-摻雜石墨烯薄膜的C1s光譜，(e)在不同溫度下合成的N-摻雜石墨烯薄膜的N1s光譜。(f)在1000℃溫度下生長的N-摻雜石墨烯薄膜的N1s光譜表明不同的氮摻雜含量。
相關研究成果由韓國成均館大學高級納米技術研究所Qingshan Yang等于2024年發表在Diamond & Related Materials (https://doi.org/10.1016/j.diamond.2024.111043 )上。原文：Synthesis of N-doped graphene film with tunable graphitic and pyridinic doping content
轉自《石墨烯研究》公眾號
