固态法掺氮石墨烯的软X射线谱学研究

石墨烯是由一个原子单层、包裹在蜂巢晶格点阵上的碳原子组成的，是构成其他石墨材料的基本单元。石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料，同时也是世界上导电性最好的材料，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。自从这种新型碳材料被发现以来，立即成为理论和实验领域的研究热点，并在2010年因为石墨烯而获得诺贝尔奖。

为了更好的调控石墨烯的电子结构和电学性质，人们通常对石墨烯进行修饰掺杂以获得更好的应用。石墨烯在掺杂前后以及掺杂过程中的电子结构变化也因此变得非常重要。目前这种电子结构变化的表征通常通过红外、拉曼、XPS等手段来实现，但存在很大的局限性。同步辐射软X射线吸收谱非常适用于研究碳、氮、氧等轻元素的电子结构变化，能够精确的给出同一材料中各种元素的存在形态以及相互作用，通过分析其谱峰结构能够清晰的掌握其结构变化，是研究石墨烯掺杂的有力工具。

　　 

利用北京同步辐射装置（BSRF）4B7B-软X射线实验站得到的不同温度下掺氮石墨的碳边（左图）和氮边（右图）吸收谱，结果清晰的展示了掺氮过程中随温度变化石墨烯中碳和氮的形态变化。

该研究组利用石墨烯与尿素在固体状态下的共加热实现了一种简单易行的石墨烯氮掺杂，并且在不同的加热温度下获得了不同的产物。为了进一步研究该过程中石墨烯的电子结构变化并分析产物的形态，该研究组应用了同步辐射软X射线吸收谱来进行表征。通过北京同步辐射装置4B7B-软X射线实验站上碳、氮、氧的谱学表征，得到了不同温度下碳、氮、氧各元素的电子结构变化，结果清晰的表明了掺氮过程中在400度以下主要是含氮官能团与石墨烯的连接，而400度以上则真正实现了在石墨烯晶格中的氮掺杂，并且随温度不同，其氮与碳成键的形态也不同（见上图）。软X射线吸收谱上碳和氧的电子结构变化也很好的验证了这一过程。实验结果阐明了不同温度下的掺氮石墨烯中间产物，有利于精确的控制石墨烯的各种掺氮形态并调控其电学性质；结果也展示了同步辐射谱学方法在石墨烯材料电子结构表征上的优势。相关研究成果发表在2012年的《Carbon》上。