单层石墨烯的硼、氮掺杂研究

石墨烯是第一个被发现的单原子层二维晶体材料，具有重要的基础研究价值与应用前景。石墨烯的载流子迁移率是已知材料中最高的，并且受温度的影响很小，这使得石墨烯非常有望成为构筑下一代纳电子器件的基础材料，但是必须首先解决一个根本性难题：对石墨烯进行能带调控，使其由"零带隙半导体"（或称半金属）转变为具有一定带隙的真正"半导体"。本项目的研究内容便是围绕这一科学问题而展开，旨在通过化学途径来对石墨烯进行B、N掺杂，从而实现对石墨烯能带结构的系统调控。B、N掺杂石墨烯的合成研究将基于"取代反应法"与"直接合成法"这两条基本思路来进行，在合成研究的同时还将系统的表征与研究掺杂石墨烯的结构（缺陷与边界等）、成分与原子键合特征、表面电子结构、能带结构与发光性质等。在材料合成的基础上将进一步制作场效应晶体管（FET）原型器件，研究掺杂石墨烯的电输运性质，为实现石墨烯真正意义上的"器件化"提供原创性的实验依据。

石墨烯是人类首次发现的单原子层二维材料，具有重要的基础研究价值与应用前景。本项目的主要研究内容，是研究石墨烯的硼（B）氮（N）掺杂，通过掺杂来实现对石墨烯电子能带结构进行调控，在此基础上研究B-N掺杂石墨烯的一些新奇物性。项目执行三年以来，各项研究工作均已按计划全面开展，进展比较顺利，取得了一系列重要研究成果，主要包括：1）系统深入研究了B-N掺杂石墨烯化学气相沉积（CVD）生长技术，通过选用B与C原子预先成键的二元前驱物成功制备出了具有可调掺杂含量、高质量的 B-C-N“类石墨烯”薄膜，通过多种分析手段对其进行了细致的结构与成分表征，并利用Raman光谱研究了B-N掺杂而导致石墨烯电子与声子能量的重整化问题。2）深入研究了B-N掺杂石墨烯与单壁碳纳米管的“取代反应”法合成技术，发展了一种新的“湿化学”辅助的碳纳米管取代反应法，实现了高纯度B-C-N单壁纳米管的高效大量合成，并将该方法进一步运用于石墨烯体系，实现了实现了石墨烯的B掺杂与B-N共掺杂。3）以六方氮化硼（h-BN）纳米片层为母体，通过对其进行C掺杂得到了具有较宽带隙与自旋极化特性B-C-N类石墨烯纳米片层材料，并证实了其具有室温下的铁磁性，并研究了自旋极化与铁磁性产生的物理机制。4）发展了一种合成大面积、高质量h-BN类石墨烯超薄膜的新方法，该方法基于氧化硼熔体与氨气之间气-液界面的自限制反应过程，相对于CVD方法要更为简单、可控、成本低廉，具有重要的应用前景，并可以实现对h-BN的原位C掺杂，从而得到高质量的B-C-N类石墨烯超薄膜。5）发展了一种简单、高效、可控制备超细石墨烯纳米带及其网络结构的新方法，并可将之直接运用到预先制作好的石墨烯FET器件中，实现对石墨烯电学性质的“器件原位”动态调控。6）发展了一种新的液相化学剥离过程来制备高质量石墨烯，通过非共价化学修饰在不损伤石墨烯晶体质量的前提下改善了其溶液分散性，并研究了这种高质量石墨烯的有机分散液的纯相干非线性光学性质，观察到了石墨烯的空间自相位调制效应。在本项目支持下，共发表SCI论文9篇（标注资助号）， 另外有3篇论文已提交，共培养博士研究生3名，其中已毕业2名，1名在读。