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(nèi)生長，實現(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(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。因此，我們開發(fā)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(yōu)先調(diào)整。當電學和化學催化應(yīng)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(qū)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(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(guān)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(yīng)的EDX數(shù)據(jù)。
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(guān)性(灰色區(qū)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(yīng)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(guān)系。(c)石墨和吡啶含量隨溫度的變化(藍色區(qū)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(guān)研究成果由韓國成均館大學高級納米技術(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
