用化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)方法合成了摻雜水平高達(dá)17.39 at.% 的氮摻雜(N-摻雜)石墨烯薄膜。通過(guò)選擇有機(jī)分子作為前體，在300至1000°C的溫度范圍內(nèi)生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了廣泛的可調(diào)氮摻雜水平。前驅(qū)體中的苯環(huán)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(diào)調(diào)制。研究了溫度對(duì)氮含量的影響，區(qū)分了石墨和吡啶摻雜類型，考慮到摻雜的穩(wěn)定性和生長(zhǎng)機(jī)制，每種摻雜類型都有獨(dú)特的趨勢(shì)。具體來(lái)說(shuō)，石墨摻雜的比例可以從40%調(diào)節(jié)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(jì)。因此，我們開(kāi)發(fā)了一種氮摻雜石墨烯生長(zhǎng)的合成方法，允許對(duì)氮摻雜類型進(jìn)行選擇性和優(yōu)先調(diào)整。當(dāng)電學(xué)和化學(xué)催化應(yīng)用需要一定摻雜水平的特定氮摻雜時(shí)，這種方法特別有利。
圖1. (a)以DAP為前驅(qū)體的N-摻雜石墨烯薄膜在銅箔表面的生長(zhǎng)過(guò)程示意圖(從源分子到作為原子結(jié)構(gòu)的N-摻雜石墨烯薄膜)。(b)轉(zhuǎn)移到二氧化硅基材上的薄膜的光學(xué)顯微鏡圖像；(c)用不同的標(biāo)記和顏色顯示具有不同生長(zhǎng)機(jī)制的薄膜的溫度與厚度的關(guān)系。
圖2. (a)在800℃的溫度下生長(zhǎng)的氮摻雜的石墨烯薄膜的TEM圖像。(b)用箭頭標(biāo)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(yīng)的EDX數(shù)據(jù)。
圖3. (a)在不同溫度下生長(zhǎng)的N-摻雜石墨烯薄膜的拉曼光譜。(b)在不同溫度下生長(zhǎng)的N-摻雜石墨烯的
I2D/IG和
ID/IG比率的相關(guān)性(灰色區(qū)域指石墨烯)。(c) (d)在500℃和800℃的溫度下生長(zhǎng)的薄膜的拉曼映射圖像，插圖為相應(yīng)的分布圖。
圖4. (a)在不同溫度下生長(zhǎng)的N-摻雜石墨烯薄膜的譜；(b)溫度與氮摻雜劑濃度的關(guān)系。(c)石墨和吡啶含量隨溫度的變化(藍(lán)色區(qū)域指高溫情況下的不同生長(zhǎng)機(jī)制)。(d)在500℃溫度下生長(zhǎng)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(zhǎng)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(guān)研究成果由韓國(guó)成均館大學(xué)高級(jí)納米技術(shù)研究所Qingshan Yang等于2024年發(fā)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(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
