Cải tiến vật liệu graphene bằng phương pháp pha tạp các nguyên tử vào mạng graphene

Khái niệm pha tạp đã được đưa ra trong lĩnh vực công nghệ bán dẫn, theo thời gian, nó cũng thích hợp với các dạng thù hình của carbon.[1,2] Một phương pháp phổ biến để cải tiến bề mặt graphene là pha tạp hóa học, phương pháp này có thể chia thành pha tạp chuyển đổi (transfer doping) và pha tạp thay thế (substitutional doping). Pha tạp thay thế dựa trên sự thay thế các nguyên tử carbon trong “mạng tổ ong” graphene bằng các nguyên tử khác. Phương pháp này hiệu quả cho việc cải tiến bản chất của vật liệu, điều chỉnh thuộc tính điện tử, điều khiển bề mặt hóa học và thay đổi cục bộ thành phần nguyên tố của GNs.[3, 4] Ngoài ra, phương pháp pha tạp còn có thể thay đổi cấu trúc dải điện tử (electronic band) của graphene và tạo ra khe năng lượng giữa vùng hóa trị (valence band – VB) và vùng dẫn (conduction band – CB) để tăng cường mật độ phần tử mang điện tích tự do (free charge-carrier) và cải tiến tính dẫn điện và dẫn nhiệt của vật liệu.[5-7]

Trong sự pha tạp hóa học vào vật liệu nền carbon, boron (B) và nitrogen (N) được đánh giá cao bởi chúng có kích thước tương tụ và có thể tạo những liên kết cộng hóa tri bền vững với các nguyên tử carbon.[8] Bằng cách thay thế các nguyên tử carbon trong cấu trúc của graphene bằng các nguyên tử B hoặc N, nhiều vùng bán dẫn kiểu p hoặc kiểu n được tạo thành.[9-11] Các nguyên tử B có ít electron hóa trị hơn carbon, nếu thay B cho C trong graphene thì sẽ tạo thành kiểu pha tạp chất bán dẫn kiểu p. Sự pha tạp B đẩy các điểm Dirac của graphene lên trên mức Fermi, từ đó tạo thành vật liệu bán dẫn.[10] Trong khi đó thì pha tạp chất bán dẫn kiểu n đẩy điểm Dirac xuống dưới mức Fermi xảy ra khi pha tạp nguyên tử có nhiều electron hóa trị hơn carbon như N, P vào mạng graphene.

Việc pha tạp cũng làm thay đổi đáng kể tính chất điện của graphene.[5] Vật liệu nano dựa trên nền graphene pha tạp có thể có nhiều tính chất tiềm năng như siêu dẫn, từ tính v.v… cho phép ứng dụng nó một cách rộng rãi.[10,12,13]

Nhờ vào những tính chất độc đáo, vật liệu graphene pha tạp và cải tiến cung cấp một cơ sở lý tưởng cho việc xây dựng các cảm biến. Do đó, gần đây, việc liên kết và phát triển các đặc tính điện tử của graphene để taoh thành những đặc tính mới đã nhận được nhiều sự chú ý của các nhà nghiên cứu.

Tài liệu tham khảo:

1. O. Zhou, R.M. Fleming, D.W. Murphy, C.H. Chen, R.C. Haddon, A.P. Ramirez, S.H. Glarum, Defects in carbon nanostructures, Sci. 263 (1994) 1744-1747.
2. Y. Hishiyama, H. Irumano, Y. Kaburagi, Y. Soneda, Structure, Raman scattering, and transport properties of boron-doped graphite, Phys. Rev. B 63 (2001) 245406-1-11.
3. B.G. Sumpter, V. Meunier, J.M. Romo-Herrera, E. Cruz-Silva, D.A. Cullen, H. Terrones, D.J. Smith, M. Terrones, Nitrogen-mediated carbon nanotube growth: diameter reduction, metallicity, bundle dispersability, and bamboo-like structure formation, ACS Nano 1 (2007) 369-375.
4. Y. Shao, J. Sui, G. Yin, Y. Gao, Nitrogen-doped carbon nanostructures and their composites as catalytic materials for proton exchange membrane fuel cell, Appl. Catal. B 79 (2008) 89-99.
5. L. Ci, L. Song, C. Jin, D. Jariwala, D. Wu, Y. Li, A. Srivastava, Z.F. Wang, K. Storr, L. Balicas, F. Liu, P.M. Ajayan, Atomic layers of hybridized boron nitride and graphene domains, Nat. Mater. 9 (2010) 430-435.
6. Y. Ma, A.S. Foster, A.V. Krasheninnikov, R.M. Nieminen, Nitrogen in graphite and carbon nanotubes: magnetism and mobility, Phys. Rev. B 72 (2005) 205416-1-4.
7. C.W. Zhou, J. Kong, E. Yenilmez, H.J. Dai, Modulated chemical doping of individual carbon nanotubes, Sci. 290 (2000) 1552-1555.
8. S.U. Lee, R.V. Belosludov, H. Mizuseki, Y. Kawazoe, Designing nanogadgetry for nanoelectronic devices with nitrogen-doped capped carbon nanotubes, Small 5 (2009) 1769-1775.
9. X. Wang, X. Li, L. Zhang, Y. Yoon, P.K. Weber, H. Wang, J. Guo, H. Dai, N-Doping of graphene through electrothermal reactions with ammonia, Sci. 324 (2009) 768-771.
10. T.B. Martins, R.H. Miwa, A.J.R. da Silva, A. Fazzio, Electronic and transport properties of boron-doped graphene nanoribbons, A. Phys. Rev. Lett. 98 (2007) 196803-1-4.
11. A. Lherbier, X. Blase, Y.M. Niquet, F. Triozon, S. Roche, Charge transport in chemically doped 2D graphene, Phys. Rev. Lett. 101 (2008) 036808-1-4.
12. M. Deifallah, P.F. McMillan, F. Cora, Electronic and structural properties of two-dimensional carbon nitride domains, J. Phys. Chem. C 112 (2008) 5447-5453.
13. J. Lee, K.S. Novoselov, H.S. Shin, Interaction between metal and graphene: depedence on the layer number of graphene, ACS Nano 5 (2010) 608-612.
14. Niu, F., Tao, L. M., Deng, Y. C., Wang, Q. H., & Song, W. G. (2014). Phosphorus doped graphene nanosheets for room temperature NH 3 sensing. New Journal of Chemistry, 38(6), 2269-2272.2.