二维碳氮单晶合金及其制备方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 石墨帰（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（Amlre Geim)和康斯坦下诺沃肖 罗夫化onstantin Novoselov)通过"微机械剥离法"得到了单层石墨帰（参见文献 K. S. Novoselvo et al.，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。石墨帰有着很多 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（~ 200000cm 2ris4)等。该些性质使得石墨帰材料在能量存储、电催化、传感器W及电子产品方 面有着非常广泛的应用前景。
[0003] 然而对于本征的石墨帰而言，虽然具有高的迁移率，但其载流子浓度却很低，因而 限制了石墨帰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 帰的载流子浓度。在该当中，对石墨帰进行化学惨杂和修饰一直是一种重要的调控方法。通 过化学惨杂，例如氮元素的惨杂，可W有效地调节石墨帰的费米面的位置W及石墨帰的载 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.)。
[0004] 氮原子惨杂进石墨帰的晶格内通常有H种成键方式，包括石墨型氮、化巧型氮和 化咯型氮（参见文献 D.Uhachov et al.，Nitrogen-Doped Graphene Efficient Growth, Structure, and Electronic Properties. Nano Letters, 2011，11，5401-5407.)。在该当 中，石墨型氮是最常见的氮惨杂方式，它指的是氮原子取代了苯六元环里的碳原子。目前将 氮原子惨杂进石墨帰中可通过偏析生长方法、溶剂热法和电弧放电方法等途径。但该些方 法有很多缺点，例如氮的惨杂含量少，氮的惨杂位置无序等。无序的氮惨杂也会使载流子在 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】
[0005] 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 墨帰的碳骨架和惨杂氮原子，其中所述惨杂氮原子在所述石墨帰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。
[0006] 在本发明的一个实施方案中，所述超晶格由六方晶格构成。
[0007] 在本发明的一个实施方案中，氮原子有序惨杂在石墨帰的骨架中。
[0008] 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 W下步骤；a)对金属衬底表面进行处理，W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W形成二维碳氮单 晶合金；其中所述前驱体分子为全团代化巧分子。
[0009] 在本发明的一个实施方案中，全团代化巧分子为五氯化巧分子、五漠化巧分子、五 楓化巧分子，优选五氯化巧分子。
[0010] 在本发明的一个实施方案中，金属衬底为铜。
[0011] 在本发明的一个实施方案中，步骤a)中的处理为氮离子姗射处理。
[0012] 在本发明的一个实施方案中，铜衬底的表面为（111)晶面。
[0013] 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 〇C。
[0014] 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1X1(T3至 IX 1〇-8 帕。
[0015] 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IXICT帕。
[0016] 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。
[0017] 在本发明的一个实施方案中，存在W下特点：
[001引1.通过在高真空环境下（真空度为IX 1(T3至IX 1(T8帕）生长，可W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。
[0019] 2.通过控制前驱体分子束流强度，可W控制二维碳氮单晶合金薄膜厚度。前驱体 分子束的强度可W通过微漏阀的开关大小来决定。
[0020] 在本发明的一个实施方案中，利用本发明的方法生长出的二维碳氮单晶合金与传 统的技术生长的氮惨杂石墨帰相比，存在W下优势：
[0021] 1.由于所使用的五氯化巧分子中碳团键具有较低的键能，本方案可大幅度降低反 应温度。女口在文献 Xinran Wang et al.，N-Doping Graphene Through Electrothermal Reactions with Ammonio. Science, 2009,324,768-771 中描述的，传统的生长氮惨杂石墨 帰需要在1000度左右的高温，而本方案只需要较低的温度，即100至400度便可W生长所 述二维碳氮单晶合金。
[0022] 2.前驱体五氯化巧分子可W在表面有序自组装。由于吸附分子之间较强且长程 的库仑排斥作用，前驱体分子在衬底上可W实现定向有序的自组装。从而最终获得高质量 的有序氮惨杂石墨帰，即二维碳氮单晶合金。其中的氮原子在原有的石墨帰的碳骨架中形 成超晶格，其晶格常数包括但不限于0.42纳米。该超晶格的晶格常数可W通过生长二维碳 氮单晶合金时更换前驱体分子及衬底调节。无序的氮惨杂会使载流子在输运过程中受到散 射，导致材料的载流子迁移率降低，而有序惨杂时会减少散射的发生，从而极大增大载流子 迁移率。
[0023] 3.与先前报道的无序氮惨杂石墨帰相比，先前随机氮惨杂的石墨帰因氮杂质散射 而降低电子迁移率，而所述的二维碳氮单晶合金具有有序的电子浓度分布，从而可使石墨 帰在保持好的电子迁移率的同时获得大载流子浓度。
[0024] 在本发明的一个实施方案中，公开了一种新型二维碳氮单晶合金的制备方法，该 单晶合金具有高载流子浓度、高电导率W及高迁移率等特点。而所述的新型二维碳氮单晶 合金还具有氮元素含量高、氮原子排列有序等优点。该单晶合金的制备主要利用了五氯化 巧分子作为前驱体分子，并W金属单晶（111)的晶面作为衬底，利用分子的二维有序自组 装，来实现在原有石墨帰的碳骨架中惨杂的氮原子的有序排列，即惨杂的氮原子在原有的 石墨帰的碳骨架中形成超晶格，从而构造出了该种新型二维碳氮单晶合金材料。本发明公 开的新型二维碳氮单晶合金的制备方法是，在加热的已处理干净的金属单晶（111)面上沉 积一层前驱体分子，并加热一段时间后可构造出该种新型二维碳氮单晶合金材料。由于制 备所述的该种新型二维碳氮单晶合金材料的前驱体分子中的碳团键键能低，因此制备时反 应温度低，方法简单易行。所述的新型二维碳氮单晶合金可广泛用于新一代的半导体电子 器件，高电导率透明电极W及自旋电子器件的设计与制造。
【附图说明】<