雜原子摻雜石墨烯（heteroatom-doped graphene）是指石墨烯片層中的碳原子被其他原子（硼、氮、氧、硫、氟、磷等）取代或者發(fā)生共價結(jié)合的石墨烯衍生物。雜原子摻雜石墨烯的出現(xiàn)解決了石墨烯難以應(yīng)用到電子設(shè)備和半導(dǎo)體領(lǐng)域的問題。不過,與石墨烯一樣,雜原子摻雜石墨烯的制備同樣也存在著一些技術(shù)難點,比如:對設(shè)備要求高、制備產(chǎn)率低和產(chǎn)品質(zhì)量較差等,這在一定程度上限制了雜原子摻雜石墨烯后續(xù)的應(yīng)用研究。因此,開發(fā)宏量制備高質(zhì)量雜原子摻雜石墨烯類材料的方法具有重要意義。另一方面,目前雜原子摻雜石墨烯在分析化學(xué)中的應(yīng)用主要集中在電化學(xué)傳感和熒光傳感器方面。盡管已有一些研究開始將氧化石墨烯作為吸附材料,但是關(guān)于其他雜原子摻雜石墨烯吸附方面的研究仍處于幾乎空白的階段。雜原子摻雜石墨烯作為石墨烯的衍生二維材料,具有超高的比表面積和離域π電子結(jié)構(gòu)等,這些性質(zhì)可以保證材料的吸附容量和對分析物的強親和力。此外,雜原子的引入為一些新型的分子間弱相互作用提供了結(jié)合位點,這有利于提高吸附選擇性。因此,雜原子摻雜石墨烯作為吸附劑的研究可以被進一步推進和擴展。結(jié)合上述兩點問題,本論文的主要研究內(nèi)容如下:（1）... 

【文章來源】：重慶大學(xué)重慶市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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（a）石墨烯費米能級附近的能帶結(jié)構(gòu)[7]（b）摻雜石墨烯狄拉克點與費米能級的關(guān)系[8]

粼郵??┑木Ц癲問?雜懈謀鋄13]。雖然B-C的鍵長有所增加，但是硼摻雜石墨烯還是能夠保持原石墨烯具有的優(yōu)良機械性能[14]。此外，硼原子的摻雜會破壞石墨烯的導(dǎo)熱性能，0.75at.%的硼摻雜量就可以使石墨烯導(dǎo)熱率下降60%以上[14]。硼摻雜對石墨烯電子-空穴的遷移率（電導(dǎo)率）的影響不大，仍能保持800cm2·V-1·s-1的高載流子遷移，只是硼摻雜石墨烯具有典型的p型半導(dǎo)體行為，即在空穴和電子傳導(dǎo)中具有很強的不對稱性，這是由于硼原子的缺電子性質(zhì)，使得硼摻雜石墨烯的費米能級低于狄拉克點，從而得到p型摻雜石墨烯[15]。圖1.2（a）硼原子（藍色）的取代摻雜結(jié)構(gòu)[13]（b）氮原子取代摻雜時的鍵合類型[10]（c）磷原子的取代摻雜結(jié)構(gòu)[16]Fig.1.2(a)ThesubstitutionaldopingofB(blueball).(b)ThesubstitutionaldopingofNandthierbondingconfigurations.(c)ThesubstitutionaldopingofP.1.1.2氮和磷摻雜在元素周期表中，氮原子也是與碳原子相鄰的元素。但是，氮（1s22s2p3）的富電子性使得氮摻雜石墨烯與硼摻雜石墨烯有著明顯的區(qū)別。氮摻雜石墨烯中的氮原子可能會以三種形式與碳原子結(jié)合（圖1.2b），它們分別為石墨（或四元）氮（graphitic-N）、吡啶氮（pyridinic-N）和吡咯氮（pyrrolic-N）[17]。由于C-N鍵（1.41）和C-C鍵（1.42）的鍵長相似，吡啶氮和石墨氮對石墨烯結(jié)構(gòu)的影響微乎其微。相反，以sp3軌道鍵合的吡咯氮則會破壞石墨烯的平面結(jié)構(gòu)。由于氮原子的電負性（3.04）大于碳原子的電負性（2.55），C-N成鍵時會產(chǎn)生極化，因此氮摻雜能夠改變石墨烯的電子學(xué)和光學(xué)等性質(zhì)[18]。例如，石墨氮對材料載流子濃度的影響很大，當(dāng)?shù)獡诫s石墨烯只有0.6%石墨氮的摻雜量時，其載流子的濃度就高達2.6×1013cm-2，是石墨烯的4倍；而吡啶氮和吡咯氮?

1緒論5圖1.3（a）氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)[26]（b）硫摻雜石墨烯的結(jié)構(gòu)及高溫下的硫原子鍵合狀態(tài)的轉(zhuǎn)變[28]Fig.1.3(a)ThestructureofGO.(b)Thestructureofsulfur-dopedgrapheneandthetransformationthebondingconfigurationsofsulfurunderhightemperature.1.1.4氟、氯、溴和碘摻雜第七主族的鹵素對石墨烯進行摻雜是通過與石墨烯上的碳原子以sp3雜化軌道共價結(jié)合，這導(dǎo)致石墨烯的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)都發(fā)生劇烈的變化。氟原子是最具活性的元素之一，C-F鍵很強且十分穩(wěn)定。氟摻雜石墨烯中的F-C鍵是突出在石墨烯平面外[31]。由于碳原子共價結(jié)合了氟原子，C-C鍵被拉長至1.57~1.58[32]。不同摻雜量的氟摻雜石墨烯的性質(zhì)各不相同。全氟石墨烯（fluorographene）是指石墨烯上的每一個碳原子都以sp3形式與氟原子共價結(jié)合（圖1.4a）[33]。全氟石墨烯因其優(yōu)良的機械強度、高的熱力學(xué)穩(wěn)定性和極好的化學(xué)惰性而引起了人們的極大關(guān)注。這些特性促進了它的應(yīng)用，比如，可作為潤滑劑和電池添加劑[32]。全氟石墨烯還是最薄的絕緣體，因為它的碳原子全是sp3C，不再有可以自由移動的π電子[32]。調(diào)控氟原子的摻雜量，可以調(diào)節(jié)氟摻雜石墨烯的帶隙寬度，其中，全氟石墨烯的帶隙寬度最大（~3eV）。部分氟摻雜的石墨烯可以用作發(fā)光范圍從紫外到可見光的半導(dǎo)體[34]。此外，氟原子的摻雜還會增加石墨烯的疏水性[35]。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]拉曼光譜在石墨烯結(jié)構(gòu)表征中的應(yīng)用[J]. 吳娟霞,徐華,張錦.  化學(xué)學(xué)報. 2014(03)



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