氮掺杂石墨烯制备方法综述_唐涛.pdfVIP

第 36 卷 第 1 期 广西物理 GUANGXI PHYSICS Vol.36 No.1 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 [1] 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 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 [4] 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 、室温量子霍 [5] [6] [7] 尔效应 、高热导率 及对可见光的高透射率 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， [8] 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 。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