特寫立體圖像：單個氮原子在石墨烯片上。石墨烯這種材料是由排列成蜂巢狀的碳原子制成。較大的氮原子凸出在上面。來源：哥倫比亞大學(xué)
強(qiáng)度，柔韌性，透明度和高導(dǎo)電性，使單層石墨烯成為獨特的寶貴材料，可用于下一代電子設(shè)備。這種材料用蜂巢狀排列的碳原子制成，可以想一下雞爪狀的鐵絲網(wǎng)，透明度為97％，比鋼強(qiáng)1000倍。
研究人員正在研究各種方法，調(diào)節(jié)石墨烯性能，進(jìn)行特定的電子應(yīng)用。有一種方法可以做到這一點，就是摻雜，引入少量其他元素，如氮，磷，這可以增加或減少這一系統(tǒng)中的電子。因為摻雜已經(jīng)廣泛用于硅技術(shù)中，所以，也在單層石墨烯薄片上進(jìn)行了實驗；但到現(xiàn)在為止，從細(xì)節(jié)上看，摻雜原子如何適應(yīng)這種薄片，如何鍵合相鄰的碳，仍捉摸不定。
有一項研究發(fā)表在8月9日的《科學(xué)》上，研究人員來自哥倫比亞大學(xué)（Columbia University），韓國世宗大學(xué)（Sejong University）和斯坦福線性加速器中心（SLAC），布魯克海文（Brookhaven）國家實驗室，他們結(jié)合使用四種技術(shù)，制成第一幅氮摻雜石墨烯薄膜的細(xì)部圖像。他們發(fā)現(xiàn)，在這種二維薄片中，單個氮原子取代了碳原子的位置，每個氮原子提供的額外電子，有一半左右分布在整個石墨烯晶格上；而且發(fā)現(xiàn)，這改變石墨烯電子結(jié)構(gòu)，只是在很短的距離內(nèi)， 就是與摻雜原子相距約兩個碳原子的寬度。能夠在原子水平上控制這種電子結(jié)構(gòu)具有重要意義，可以調(diào)節(jié)石墨烯獨特的電子特性，進(jìn)行特定的設(shè)備應(yīng)用。
這個圖像顯示的部位，就是石墨烯摻雜氮原子的地方。微小的紅色亮點顯示，單個氮原子已進(jìn)入石墨烯晶格，因為它們只有少許。這種掃描隧道顯微鏡圖像顯示，單個氮原子處于碳原子之間，就在石墨烯薄膜中。氮原子作為摻雜，可改變材料性能。來源：斯坦福同步輻射光源
“我們并沒有試圖研究現(xiàn)有系統(tǒng)，使它們更好。我們正在尋找新的方向，可能實現(xiàn)高得多的效率，” 論文共同作者提安納•西羅斯（Theanne Schiros）說，她是能源部能源前沿研究中心（Department of Energy’s Energy Frontier Research Center）的表面科學(xué)家，在哥倫比亞大學(xué)，他正在研究石墨烯，是作為一種潛在電極，用于新穎的光伏設(shè)備。
“現(xiàn)在我們看到，摻雜是一種辦法，可用于石墨烯，干凈而且非常管用，”她說，提供了一個潛在方法，可以創(chuàng)造高品質(zhì)石墨烯薄膜，用于電子領(lǐng)域，包括太陽能電池。
西羅斯對斯坦福線性加速器中心并不陌生，她做博士研究就是在這里，指導(dǎo)老師是安德斯•尼爾森（Anders Nilsson）。目前，她在哥倫比亞大學(xué)的工作重點，是使用同步輻射光源X射線探索新型材料，以用于可再生能源技術(shù)。
為了這項研究，她回到斯坦福線性加速器中心，與丹尼斯•諾德隆德（Dennis Nordlund）一起工作，他是斯坦福線性加速器中心斯坦福同步輻射光源（SSRL：Stanford Synchrotron Radiation Lightsource）的科學(xué)家，這里，最近的升級使他們能夠同時自動掃描氮摻雜石墨烯薄膜樣品。
這一研究小組培育這些薄膜，是在銅箔薄片上進(jìn)行化學(xué)氣相沉積。
他們分析了銅箔上的一些薄膜樣品，又把其他樣品轉(zhuǎn)移到二氧化硅上，就是設(shè)備測量的標(biāo)準(zhǔn)基板上，就這樣進(jìn)行測試。每個樣品的檢測都采用拉曼光譜儀（Raman spectroscopy）和掃描隧道顯微鏡（STM：scanning tunneling microscopy），這都是在哥倫比亞大學(xué)進(jìn)行，而采用X射線束是采用斯坦福線性加速器中心的斯坦福同步輻射光源，以及布魯克海文國家實驗室的國家同步輻射光源（NSLS：National Synchrotron Light Source）。
拉曼光譜表明，氮摻雜改變了石墨烯薄片的電子特性，但不會干擾它的基本結(jié)構(gòu)。斯坦福同步輻射光源X射線測量的光束線10-1和13-2，以及國家同步輻射光源的光束線U7A表明，氮原子放在平面石墨烯片內(nèi)，每個氮原子鍵合三個相鄰的碳；換句話說，每個氮原子取代薄片上的一個碳。
最后，掃描穿隧顯微鏡圖像顯示，氮原子是石墨烯表面上的亮點。通過計算那些亮點，研究人員就可以確定，每個碳原子的氮摻雜濃度不同，從0.23％到0.35％不等。這幅圖像還透露，氮原子伸出石墨層約0.6埃（angstrom），好像它們要替代晶格中的碳。這些結(jié)果符合掃描穿隧顯微鏡圖像的理論模擬。
論文的第一作者是哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)研究生趙柳巖（Liuyan Zhao），他在阿布海N.•帕蘇帕西（Abhay N. Pasupathy）的實驗室工作。
