[发明专利]二维碳氮单晶合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳材料的技术领域，具体涉及一种二维碳氮单晶合金及其制备方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)是一种单层碳原子呈六方晶格排列的新型纳米材料。2004年英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈盖姆(Andre Geim)和康斯坦丁诺沃肖罗夫(Konstantin Novoselov)通过“微机械剥离法”得到了单层石墨烯(参见文献K.S.Novoselvo et a1.，Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films，Science，2004，306，666-669.)，并因此获得了2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯有着很多不同于传统半导体材料的特别的性质，如高热导率(～5000W/mK)，高载流子迁移率(～200000cm²V^-1s^-1)等。这些性质使得石墨烯材料在能量存储、电催化、传感器以及电子产品方面有着非常广泛的应用前景。

然而对于本征的石墨烯而言，虽然具有高的迁移率，但其载流子浓度却很低，因而限制了石墨烯在半导体器件中的应用。近些年来，科研人员希望通过各种手段来调控石墨烯的载流子浓度。在这当中，对石墨烯进行化学掺杂和修饰一直是一种重要的调控方法。通过化学掺杂，例如氮元素的掺杂，可以有效地调节石墨烯的费米面的位置以及石墨烯的载流子类型等。(参见文献Theanne Schiros et al.，Connecting Dopant Bond Type with Electronic Structure in N-Doped Graphene.Nano Letters，2012，12，4025-4031.)。

氮原子掺杂进石墨烯的晶格内通常有三种成键方式，包括石墨型氮、吡啶型氮和吡咯型氮(参见文献D.Uhachov et al.，Nitrogen-Doped Graphene：Efficient Growth，Structure，and Electronic Properties.Nano Letters，2011，11，5401-5407.)。在这当中，石墨型氮是最常见的氮掺杂方式，它指的是氮原子取代了苯六元环里的碳原子。目前将氮原子掺杂进石墨烯中可通过偏析生长方法、溶剂热法和电弧放电方法等途径。但这些方法有很多缺点，例如氮的掺杂含量少，氮的掺杂位置无序等。无序的氮掺杂也会使载流子在输运过程中受到散射，从而导致材料的载流子迁移率降低。

发明内容

本发明的一个实施方案是一种二维碳氮单晶合金，所述二维碳氮单晶合金包含石墨烯的碳骨架和掺杂氮原子，其中所述掺杂氮原子在所述石墨烯的碳骨架中取代部分碳原子形成氮的二维超晶格结构，所述超晶格的晶格大小为0.4纳米至0.5纳米。

在本发明的一个实施方案中，所述超晶格由六方晶格构成。

在本发明的一个实施方案中，氮原子有序掺杂在石墨烯的骨架中。

在本发明的另一个实施方案是一种二维碳氮单晶合金的制备方法，所述方法包括以下步骤：a)对金属衬底表面进行处理，以获得平整干净的表面；b)加热所述平整干净的表面；c)在所加热的表面上沉积一层前驱体分子；d)继续加热维持温度以形成二维碳氮单晶合金；其中所述前驱体分子为全卤代吡啶分子。

在本发明的一个实施方案中，全卤代吡啶分子为五氯吡啶分子、五溴吡啶分子、五碘吡啶分子，优选五氯吡啶分子。

在本发明的一个实施方案中，金属衬底为铜。

在本发明的一个实施方案中，步骤a)中的处理为氩离子溅射处理。

在本发明的一个实施方案中，铜衬底的表面为(111)晶面。

在本发明的一个实施方案中，在步骤b)中加热所述平整干净的表面至100至400℃。

在本发明的一个实施方案中，步骤a)-d)在高真空环境完成，真空度为1×10^-3至1×10^-8帕。

在本发明的一个实施方案中，在沉积前驱体分子时，将前驱体分子的气压控制在1帕至1×10^-7帕。

在本发明的一个实施方案中，步骤d)中的加热持续5分钟至2小时。

在本发明的一个实施方案中，存在以下特点：

1.通过在高真空环境下(真空度为1×10^-3至1×10^-8帕)生长，可以减少杂质混入生长的样品内，有利于得到高纯度的二维碳氮单晶合金。