石墨烯的骨架摻雜是指在保持石墨烯六方晶格完整的同時，通過引入雜原子如氮、硼等直接替換sp2雜化的二維晶格骨架中碳原子。石墨烯骨架被雜原子摻雜后，載流子濃度增加，并且骨架摻雜的形式有助于降低散射，維持石墨烯較高的載流子遷移率，導(dǎo)電性顯著增加；又因為骨架摻雜原子在化學(xué)反應(yīng)中可以提供更多的活性位點，因此，骨架摻雜的石墨烯在催化、能源等領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注。然而，穩(wěn)定且可控的骨架摻雜仍是目前石墨烯化學(xué)氣相沉積（CVD）生長的難點，摻雜后的石墨烯穩(wěn)定性較差，遷移率較低，通常在10 cm2/Vs量級。因此，如何實現(xiàn)高效的骨架摻雜仍是石墨烯領(lǐng)域的研究瓶頸。
最近，劉忠范院士課題組和彭海琳教授課題組在國際著名刊物Science Advances上發(fā)表題為Nitrogen cluster doping for high-mobility/conductivity graphene films with millimeter-sized domains （Science Advances 2019, 5, eaaw8337)的文章，利用氧氣對非骨架摻雜選擇性刻蝕的效應(yīng)，首次在Cu襯底上實現(xiàn)了石墨烯的完美骨架摻雜生長，氮摻雜后的石墨烯遷移率高達13000 cm2/Vs，比其他工藝制備的摻雜石墨烯要高出數(shù)個量級。同時，石墨烯的面電阻也降低到130 oh/sq，摻雜的穩(wěn)定性顯著提高。
文章指出，骨架摻雜可以維持高載流子遷移率的主要原因為：
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（1）骨架摻雜的氮原子在石墨烯的晶格中以團簇形式存在，可以有效降低摻雜原子對石墨烯的載流子的散射；
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（2）氧氣選擇性刻蝕可以消除吡啶氮和吡咯氮等破壞石墨烯晶格的摻雜類型；
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（3）制備的骨架摻雜石墨烯單晶尺寸在毫米量級，減少了晶界散射對石墨烯載流子遷移率的影響。
低溫和磁場下，作者也觀測到氮團簇形成的較強的庫倫電勢導(dǎo)致的震蕩，這也從側(cè)面證實了團簇摻雜的存在。相較于其他材料，簇狀氮摻雜的石墨烯繼承了本征石墨烯較低的面電阻和較高的可見光透過率的特點。且與吸附摻雜相比，簇狀氮摻雜石墨烯的高溫穩(wěn)定性更好。簇狀氮摻雜石墨烯基于其良好的透光性、導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和高載流子遷移率，為未來石墨烯研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用提供了材料基礎(chǔ)，具有重要的基礎(chǔ)科學(xué)意義和應(yīng)用價值。
簇狀氮摻雜石墨烯單晶的制備和表征
本文共同通訊作者為劉忠范院士、彭海琳教授、丁峰教授、徐洪起教授，并列第一作者為林立博士、李佳玉博士、袁清紅教授、李秋珵博士。合作者還包括北京大學(xué)康寧教授、張艷峰特聘研究員和蘇州大學(xué)Mark H. Rummeli教授等課題組。該工作得到了科技部、基金委和北京市科委等項目資助。
