石墨烯具有優異的電學與光學性能、極高的電荷載流子遷移率、室溫量子霍爾效應等，因而被認為在納米電子學領域有著非常廣泛的應用前景。然而，本征石墨烯零帶隙的特點以及過低的載流子濃度大大限制了其在數字電路中的應用。

對石墨烯進行氮摻雜有望彌補本征石墨烯零帶隙和載流子密度低的缺憾，實現其在電子器件領域的廣泛應用。然而，目前氮摻雜石墨烯(NG)的合成主要面臨兩個問題：

氮摻雜石墨烯中的氮濃度普遍很低，除利用特殊的芳香烴分子合成的氮原子周期性分布的碳氮二維材料以外，目前報道的氮摻雜石墨烯中氮原子的摻雜濃度不高于20%，這使得NG中載流子濃度的調控受到很大限制。

NG中的摻雜氮原子通常以吡啶氮、吡啶氮氧化物、吡咯氮、石墨氮等多種形式共存，并且摻雜氮原子在石墨烯的面內排列無序，這也使得載流子在輸運過程中遭遇更強的散射，導致載流子遷移率大大降低。

現階段，如何可控地制備高濃度、高有序的NG是一個極富挑戰性的難題。 理解氮原子摻雜濃度低、摻雜類型和位置不可控的本質是實現高濃度、高有序的NG制備的前提。來自華東師范大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室的博士生補賽玉（昆士蘭大學交流學生）及其導師袁清紅研究員與澳大利亞昆士蘭大學澳大利亞生物工程及納米科技研究所的Debra J. Searles教授等人，采用第一性原理計算與粒子群優化算法相結合的方法，分別對吡啶氮和石墨氮摻雜石墨烯的最穩定結構進行了預測。發現氮摻雜石墨烯的穩定結構與其中的氮原子濃度密切相關，低氮摻雜濃度下，NG中的石墨氮和吡啶氮具有相近的形成能，因而更易形成石墨氮和吡啶氮共摻雜的結構。

隨著氮原子摻雜濃度的增加，石墨氮摻雜石墨烯的形成能要高于吡啶氮摻雜石墨烯的形成能，因而更易形成吡啶氮摻雜的石墨烯結構。 特別是，當氮原子摻雜濃度高于0.25時，NG中以吡啶氮摻雜為主。此外，該研究還表明，低氮摻雜濃度的NG具有更低的形成能。這一系列研究結果解釋了目前實驗上NG中氮原子濃度低，以及多種類型的氮混合摻雜的實驗現象。進一步，研究人員結合理論推導計算出含碳或氮的前驅體分子中的碳或氮的化學勢隨溫度、壓強的表達式，提出可通過控制NG合成過程中的前驅體類型、溫度、壓強實現碳和氮原子化學勢的調控，從而實現NG中氮原子的類型和氮摻雜濃度的調控。該研究通過對不同氮濃度下的NG結構和能量進行研究，為實驗上實現氮摻雜石墨烯的可控合成提供了理論依據。 該文近期發表于npj Computational Materials6:128 (2020)，英文標題與摘要如下，點擊左下角“閱讀原文”可以自由獲取論文PDF。

Design of two-dimensional carbon-nitride structures by tuning the nitrogen concentration

Saiyu Bu, Nan Yao, Michelle A. Hunter, Debra J. Searles & Qinghong Yuan

Nitrogen-doped graphene (NG) has attracted increasing attention because its properties are significantly different to pristine graphene, making it useful for various applications in physics, chemistry, biology, and materials science. However, the NGs that can currently be fabricated using most experimental methods always have low N concentrations and a mixture of N dopants, which limits the desirable physical and chemical properties. In this work, first principles calculations combined with the local particle-swarm optimization algorithm method were applied to explore possible stable structures of 2D carbon nitrides (C1?xNx) with various C/N ratios. It is predicted that C1?xNx structures with low N-doping concentration contain both graphitic and pyridinic N based on their calculated formation energies, which explains the experimentally observed coexistence of graphitic and pyridinic N in NG. However, pyridinic N is predominant in C1?xNx when the N concentration is above 0.25. In addition, C1?xNx structures with low N-doping concentration were found to have considerably lower formation energies than those with a high N concentration, which means synthesized NGs with low N-doping concentration are favorable. Moreover, we found the restrictions of mixed doping and low N concentration can be circumvented by using different C and N feedstocks, and by growing NG at lower temperatures.

責任編輯：xj

原文標題：npj: 氮摻雜石墨烯的結構調控—路在何方？

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