氮掺杂石墨烯制备方法综述_唐涛.doc

------------------------------------------------------------------------------------------------ ——————————————————————————————————————氮掺杂石墨烯制备方法综述_ 唐涛第 36卷第1期广西物理 GUANGXI PHYSICS 2015 氮掺杂石墨烯制备方法综述唐涛? ,文剑锋,李新宇( 桂林理工大学理学院,广西桂林 541004) *摘要: 石墨烯是当前最受关注的新型材料之一。其结构是由两个对称的、相互嵌套的子晶格所组成。通过异质原子掺杂是打破其对称结构, 从而调制其物理性能的重要方法。氮原子具有和碳原子接近的尺寸, 相对容易被掺杂到石墨烯的晶格中, 因而氮掺杂在石墨烯材料的研究中具有重要地位。本文拟对石墨烯氮掺杂的制备方法进行综述,期望能为广大石墨烯研究者提供借鉴。关键词:石墨烯;氮掺杂;制备方法中图分类号: O469 文献标识码: A 文章编号: 1003-7551(2015)01-0027-05 1 引言 2004 年, 曼切斯特大学的 Geim 和 Novoselov 因为在石墨烯上开创性的实验[1] 而获得了 2010 年的诺贝尔物理学奖。石墨烯是单个碳原子厚度的“理想的”二维平面结构,在其费米面附近,能量与动量的关系可以近似为线性关系,因此石墨烯中的电子被称为狄拉克- 费米子(Dirac-Fermion)[2, 3] 。这样的色散关系也导致了载流子能在电------------------------------------------------------------------------------------------------ ——————————————————————————————————————子和空穴之间连续转变,决定了石墨烯“零带隙”半导体的属性。石墨烯的高迁移率[4] 、室温量子霍尔效应[5] 、高热导率[6] 及对可见光的高透射率[7] 都与其特殊的能带结构有关, 赋予了石墨烯多种新奇的物理特性; 但同时, 其完美的二元对称结构也造成了石墨烯性质缺少了调制的空间。在石墨烯晶格内引入异质原子, 是打破石墨烯对称结构的重要方法之一, 而且可以根据异质原子的含量、位置和结构来调制其性能。其中, 氮原子因为具有和碳原子接近的尺寸, 而容易嵌入到石墨烯晶格中实现掺杂而尤为引人关注[8] 。石墨烯晶格中的氮,相比较碳原子而言, 会多出一个电子能进入导带, 在打开石墨烯带隙的同时进行 n 型掺杂,从而得到 n 型的氮掺杂石墨烯(nitrogen-doping graphene, NG) 半导体[8-12] 。另外, 这个电子会贡献磁矩[13] , 或在石墨烯晶格中充当 RKKY 耦合石墨烯中局域磁矩形成铁磁有序的媒介[14] 。氮掺杂还能在石墨烯晶格中产生活性区,提高对氧的电催化还原性能(oxygen reduction reaction, ORR)[15] ,拥有在储能、电催化、传感器等领域的广泛应用前景。氮掺杂还能增强或猝灭石墨烯衍生物的荧光特性[16-18] ,可以在生物医学上作为发光材料进行使用。图1 石墨烯中氮掺杂的四种形式[18] 如图 1 所示,石墨烯中掺杂的氮一般有四种形式:吡啶型(pyridinic , N-6) ,吡咯型(pyrrolic , N-5) 以及石墨型氮(graphitic , N-Q) 和氨基型氮(amino , N-A) 掺杂[18] 。 N-6 指的是在石墨烯的空位处取代六元环中的碳原子, N-5 是指氮原子在空位处和碳原子形成五元环的结构,而 N-Q 是氮取代非空位处石墨烯晶格中碳原子并保持其完整的------------------------------------------------------------------------------------------------ ——————————————————————————————————————六元结构, N-A 是氨基结合到石墨烯基面或者空位缺陷处。另外,还可能有硝基或其他含氮的基团也能结合在石墨烯晶格上, 但这方面的研究相对较少。根据氮掺杂形式和含量的不同可以调控石墨烯的物理性质, 不同的氮掺杂方法将会带来不同形式、不同含量、不同分布的氮掺杂, 因此, 本文拟回顾各种氮掺杂石墨烯的制备方法, 为试图通过氮掺杂来改变石墨烯物理化学性能的研究者提供参考。之前有一些文献[19, 20] 对石墨烯氮掺杂的制备和性质进行过总结, 本文拟结合这些文献,再加入近几年一些新的氮掺杂制备方收稿日期: 2015-01-10 * 基金项目:国家自然科学