石墨烯，這個(gè)大家熟悉又陌生的特殊物質(zhì)，在2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家安德烈·海姆（AndreGeim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（KonstanTInNovoselov）在實(shí)驗(yàn)室巧妙地用機(jī)械剝離法制得今天備受矚目的二維結(jié)構(gòu)的石墨烯，并因此也獲得了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

當(dāng)然，在石墨烯這種特殊材料出現(xiàn)后，各種科學(xué)家開始瘋狂地以它為研究對(duì)象展開各種性質(zhì)的探討。當(dāng)他們的研究成果公之于眾時(shí)，石墨烯的新奇的特殊性質(zhì)也不得不使我們瞠目結(jié)舌。對(duì)于其力學(xué)性質(zhì)，曾經(jīng)美國(guó)一位名叫杰弗雷。基薩的機(jī)械工程師提出了這樣一個(gè)比喻——如果有一張和保鮮膜一樣薄的石墨烯薄膜，然后想用一根很尖銳的鉛筆去戳穿它，那得需要有一頭大象站在這根鉛筆上使力，才能將其戳穿。這樣可想而知，他擁有多么獨(dú)一無(wú)二而又強(qiáng)大的力學(xué)性質(zhì)。

石墨烯摻雜技術(shù)三大方法解析

更值得關(guān)注的是，它的電學(xué)性質(zhì)也十分奇特。實(shí)驗(yàn)表明，石墨烯所有的電子的運(yùn)動(dòng)速率大約都是光子的1/300，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子在以半導(dǎo)體中的速度，使它具有超強(qiáng)的導(dǎo)電性。然而，由于石墨烯是帶隙為零的良導(dǎo)體，我們便不能有效地調(diào)控它的電學(xué)特性，從而不能將它廣泛運(yùn)用在電子器件之中。因此，我們需要采取特殊手段來(lái)調(diào)整石墨烯的帶隙，使之具備半導(dǎo)體特性，然而，其中最有效的方法之一便是向石墨烯中摻入雜質(zhì)原子。

對(duì)于石墨烯的摻雜技術(shù)，現(xiàn)在的科學(xué)研究也有許多方法，當(dāng)然他們各自的優(yōu)缺點(diǎn)也是至關(guān)重要的，因?yàn)檫@將影響石墨烯的摻雜效果。下面便是其中一些常用的技術(shù)方法。

化學(xué)氣相沉淀法（亦叫CVD法）

化學(xué)氣相沉淀，顧名思義，利用化學(xué)氣體進(jìn)行反應(yīng)，之后的生成物再沉淀在襯底上以制備所需的物質(zhì)。

在石墨烯的摻雜過(guò)程中，若用此法，可以大大提高效率。因?yàn)槟壳白钣行У闹苽涫┍∧さ姆椒ㄖ痪褪抢肅VD法來(lái)制備，然而，如果我們?cè)谥苽涫┑倪^(guò)程當(dāng)中就加入摻雜原子，這樣制出的摻雜石墨烯摻雜效率將更高。

我們就拿制備摻氮石墨烯的過(guò)程舉例吧。在利用CVD法制備摻氮石墨烯的時(shí)候，是利用甲烷（CH4）和氨氣（NH3）來(lái)提供碳源和氮源在特殊的反應(yīng)爐里發(fā)生高溫的氧化還原反應(yīng)。氣態(tài)的甲烷和氨氣進(jìn)行反應(yīng)后生成的C在高溫下也呈氣態(tài)，在遇到襯底后會(huì)薄薄地附在襯底表面，由于反應(yīng)氣體中還有N原子，它在反應(yīng)當(dāng)中也是有很大作用的。在C原子沉淀在襯底的途中，因?yàn)镹原子的數(shù)量也是不可忽略的，它也會(huì)隨著C原子一起沉淀到襯底上，這樣最終在襯底上生成的物質(zhì)就是碳原子、碳原子混合薄膜，也就是我們想要制備的摻氮石墨烯薄膜。

我們可以發(fā)現(xiàn)，這種方式制備起來(lái)效率較高，且操作也不是很困難。但就是設(shè)備技術(shù)要求較高，需要相應(yīng)的一些高水平的設(shè)備才能精確無(wú)誤地實(shí)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)，成本也是相當(dāng)高的。

離子注入法

要使用該方法，前提是已經(jīng)擁有了一張制備好的石墨烯薄膜了。因?yàn)樵摲椒ㄊ腔谑┍∧?lái)實(shí)現(xiàn)的。而該方法的操作也不是很復(fù)雜，但需要一臺(tái)高能離子注入設(shè)備。我們將準(zhǔn)備好的石墨烯薄膜置入離子注入機(jī)內(nèi)，之后利用離子注入機(jī)將所需摻入的雜質(zhì)原子以高能粒子束的方式注入到石墨烯薄膜中。

該方法的原理其實(shí)也不難理解。我們知道，晶體表面都存在缺陷。所謂缺陷，就是晶體表面的原子排布序列出現(xiàn)異常，比如出現(xiàn)空缺等。而這樣的空缺位置對(duì)于摻雜來(lái)說(shuō)是相當(dāng)重要的，因?yàn)槲覀冋且獙㈦s質(zhì)原子給“安裝”在這些空缺位置中以來(lái)填補(bǔ)這些空位，使這個(gè)到處是空洞的晶體表面又被填的飽滿，最后也就完成了摻雜的目的。而高能粒子束具備兩個(gè)功能，一個(gè)是“高能”，而另一個(gè)是“粒子束”，為什么這么說(shuō)呢？因?yàn)椤案吣堋笔菫榱俗屧摿Ｗ邮哂懈吣芰浚允怪軌蛴凶銐蚰芰科茐氖┲蠧原子環(huán)的結(jié)構(gòu)，使某些C連接斷開而制造出“空位”。而“粒子束”是為了提供雜質(zhì)原子，將產(chǎn)生的空位迅速填補(bǔ)上雜質(zhì)原子，最終以制得摻雜的石墨烯。

但是該方法任然存在和上面一個(gè)方法相同的問(wèn)題——對(duì)于設(shè)備技術(shù)要求較高，成本花費(fèi)也比較大。

氧化石墨烯摻雜法

利用該法制備摻雜石墨烯所需要準(zhǔn)備的是氧化石墨烯薄膜。而氧化石墨烯的制備比石墨烯的制備就要簡(jiǎn)單且耗費(fèi)也不大，并且制備條件也不用高溫等的苛刻條件，室溫下便可進(jìn)行（當(dāng)然，最后還是要稍稍高溫將制備的氧化石墨烯溶液烘烤成膜，但溫度遠(yuǎn)沒(méi)制石墨烯的高）。當(dāng)有了氧化石墨烯薄膜，（我們?nèi)砸該降槔┍憧蓪⒃撃ず鸵恍┖衔锶缒蛩鼗蛉矍璋返确湃胂鄳?yīng)的反應(yīng)爐中進(jìn)行高溫反應(yīng)。由于含氮化合物在高溫下會(huì)分解出許多含氮?dú)怏w（如氨氣等），他們會(huì)與氧化石墨烯表面的含氧官能團(tuán)（如羧基等）發(fā)生相應(yīng)的有機(jī)反應(yīng)，以生成含氮的官能團(tuán)，從而達(dá)到摻雜的目的。

由此過(guò)程我們可以發(fā)現(xiàn)，該方法過(guò)程較前兩者復(fù)雜些，不過(guò)最大的優(yōu)點(diǎn)就是成本較低。但是該法最大的缺點(diǎn)就是最后制備的摻雜石墨烯可能會(huì)含有我們不希望出現(xiàn)的雜質(zhì)原子，如氧原子等，這也是該法最致命的的缺點(diǎn)。而這些非理想雜質(zhì)的摻入勢(shì)必會(huì)影響整個(gè)理想摻雜石墨烯的特性，給隨后的實(shí)驗(yàn)帶來(lái)許多未知的困難。所以還是那句話，“一分錢一分貨”。但是，對(duì)于一些實(shí)驗(yàn)精度要求不是特別高的，且資金不是很充裕的情況下，可以適當(dāng)考慮該法。

現(xiàn)在，關(guān)于摻雜石墨烯的研究和應(yīng)用也越來(lái)越多，其中有很多科學(xué)家以制備的摻雜石墨烯為核心材料而制備出了各種MOS管、光電管等，并且對(duì)他們所具備的特性進(jìn)行了詳細(xì)的研究，也發(fā)現(xiàn)了許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。這樣看來(lái)，摻雜石墨烯在材料領(lǐng)域以及電子領(lǐng)域擁有潛質(zhì)性的發(fā)展及應(yīng)用，甚至可能在某些方面能夠改變我們的生活，哪怕是一點(diǎn)點(diǎn)，也將是一個(gè)巨大的成功。