Nitrogen Doped Graphene with a p-Type Field-Effect and Its Fine Modulation

Peng PENG ,  Hongtao LIU ,  Bin WU ,  Qingxin TANG ,  Yunqi LIU

Citation:  Peng PENG, LIU Hongtao, WU Bin, TANG Qingxin, LIU Yunqi. Nitrogen Doped Graphene with a p-Type Field-Effect and Its Fine Modulation[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2019, 35(11): 1282-1290. doi: 10.3866/PKU.WHXB201903002 shu

氮掺杂石墨烯的p型场效应及其精细调控

    通讯作者: 武斌, wubin@iccas.ac.cn
    汤庆鑫, tangqx@nenu.edu.cn
    刘云圻, liuyq@iccas.ac.cn
  • 基金项目:

    北京分子科学国家研究中心, 中国科学院和中国科学院先导专项计划 XDB12030100

    国家基础研究计划 2016YFA0200101

    国家基础研究计划(2016YFA0200101), 国家自然科学基金(21633012, 60911130231, 51233006, 61390500), 北京分子科学国家研究中心, 中国科学院和中国科学院先导专项计划(XDB30000000, XDB12030100)资助项目

    北京分子科学国家研究中心, 中国科学院和中国科学院先导专项计划 XDB30000000

    国家自然科学基金 60911130231

    国家自然科学基金 51233006

    国家自然科学基金 21633012

    国家自然科学基金 61390500

摘要: 石墨烯因独特的性质和潜在的应用在过去十年受到广泛重视。得益于石墨烯研究的繁荣,氧化石墨烯作为石墨烯的最常见的衍生物,近年来也获得广泛的研究。氧化石墨烯不仅可以通过高温退火还原得到光电性质都类似石墨烯的还原氧化石墨烯,而且因其结构中存在羧基、羰基和羟基等含氧基团,为石墨烯的性能调控提供了可能。常见的做法是通过引入外来原子比如氮原子来调控石墨烯的化学催化和光电性质。然而至今在氮掺杂石墨烯的研究中,氮的类型和所处化学环境对石墨烯电学性能的影响尚不清楚,而这会影响石墨烯后续的电学和催化应用。因此,合成特定类型的氮掺杂石墨烯并研究其对后续应用的影响是必要的。我们通过氧化石墨烯和邻芳基二胺的希夫碱缩合反应成功合成了吡嗪和吡啶氮掺杂石墨烯,研究了氮的类型对石墨烯电学性能的影响。吡嗪氮掺杂的石墨烯表现出弱的n型掺杂,而强吸电子的三氟甲基基团的引入,会让吡嗪氮掺杂的石墨烯由弱n型掺杂转变为明显的p型掺杂。当在吡嗪氮中同时引入吡啶氮时,石墨烯也表现为弱的p型掺杂。因此,石墨烯的性能可以通过控制吸电子基团和掺杂不同类型的氮来实现精细调控,从而为石墨烯的应用提供更多潜在可能。

English

    1. [1]

      Zhu, Y.; Murali, S.; Stoller, M. D.; Ganesh, K.; Cai, W.; Ferreira, P. J.; Pirkle, A.; Wallace, R. M.; Cychosz, K. A.; Thommes, M. Science 2011, 332, 1537. doi: 10.1126/science.1200770

    2. [2]

      Fowler, J. D.; Allen, M. J.; Tung, V. C.; Yang, Y.; Kaner, R. B.; Weiller, B. H. ACS Nano 2009, 3, 301. doi: 10.1021/nn800593m

    3. [3]

      Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Grigorieva, I. V.; Firsov, A. A. Science 2004, 306, 666. doi: 10.1126/science.1102896

    4. [4]

      Paredes, J.; Villar-Rodil, S.; Martínez-Alonso, A.; Tascon, J. Langmuir 2008, 24, 10560. doi: 10.1021/la801744a

    5. [5]

      Peng, P.; Liu, H.; Wu, B.; Tang, Q.; Liu, Y. ChemNanoMat 2019, 5, 472. doi: 10.1002/cnma.201800567

    6. [6]

      Szabó, T.; Berkesi, O.; Forgó, P.; Josepovits, K.; Sanakis, Y.; Petridis, D.; Dékány, I. Chem. Mater. 2006, 18, 2740. doi: 10.1021/cm060258+

    7. [7]

      Mkhoyan, K. A.; Contryman, A. W.; Silcox, J.; Stewart, D. A.; Eda, G.; Mattevi, C.; Miller, S.; Chhowalla, M. Nano Lett. 2009, 9, 1058. doi: 10.1021/nl8034256

    8. [8]

      Liu, H.; Liu, Y.; Zhu, D. J. Mater. Chem. 2011, 21, 3335. doi: 10.1039/C0JM02922J

    9. [9]

      Han, T. H.; Huang, Y. K.; Tan, A. T.; Dravid, V. P.; Huang, J. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 15264. doi: 10.1021/ja205693t

    10. [10]

      Long, D.; Li, W.; Ling, L.; Miyawaki, J.; Mochida, I.; Yoon, S. H. Langmuir 2010, 26, 16096. doi: 10.1021/la102425a

    11. [11]

      Wang, L.; Sofer, Z.; Luxa, J.; Pumera, M. J. Mater. Chem. C 2014, 2, 2887. doi: 10.1039/C3TC32359E

    12. [12]

      Li, X.; Wang, H.; Robinson, J. T.; Sanchez, H.; Diankov, G.; Dai, H. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 15939. doi: 10.1021/ja907098f

    13. [13]

      Sheng, Z. H.; Shao, L.; Chen, J. J.; Bao, W. J.; Wang, F. B.; Xia, X. H. ACS Nano 2011, 5, 4350. doi: 10.1021/nn103584t

    14. [14]

      Liu, R.; Wu, D.; Feng, X.; Müllen, K. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 122, 2619. doi: 10.1002/anie.200907289

    15. [15]

      Wei, D.; Liu, Y.; Wang, Y.; Zhang, H.; Huang, L.; Yu, G. Nano Lett. 2009, 9, 1752. doi: 10.1021/nl803279t

    16. [16]

      Xue, Y.; Wu, B.; Jiang, L.; Guo, Y.; Huang, L.; Chen, J.; Tan, J.; Geng, D.; Luo, B.; Hu, W. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 11060. doi: 10.1021/ja302483t

    17. [17]

      Guo, Y.; Di, C. A.; Liu, H.; Zheng, J.; Zhang, L.; Yu, G.; Liu, Y. ACS Nano 2010, 4, 5749. doi: 10.1021/nn101463j

    18. [18]

      Cote, L. J.; Kim, F.; Huang, J. J. Am. Chem. Soc. 2008, 131, 1043. doi: 10.1021/ja806262m

    19. [19]

      Zhang, T.; Zhang, D.; Shen, M. Mater. Lett. 2009, 63, 2051. doi: 10.1016/j.matlet.2009.06.050

    20. [20]

      Schniepp, H. C.; Li, J. L.; McAllister, M. J.; Sai, H.; Herrera-Alonso, M.; Adamson, D. H.; Prud'homme, R. K.; Car, R.; Saville, D. A.; Aksay, I. A. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 8535. doi: 10.1021/jp060936f

    21. [21]

      Robinson, J. T.; Tabakman, S. M.; Liang, Y.; Wang, H.; Sanchez Casalongue, H.; Vinh, D.; Dai, H. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 6825. doi: 10.1021/ja2010175

    22. [22]

      Acik, M.; Lee, G.; Mattevi, C.; Chhowalla, M.; Cho, K.; Chabal, Y. Nat. Mater. 2010, 9, 840. doi: 10.1038/NMAT2858

    23. [23]

      Gao, W.; Alemany, L. B.; Ci, L.; Ajayan, P. M. Nat. Chem. 2009, 1, 403. doi: 10.1038/nchem.281

    24. [24]

      Kim, T.; Lee, H.; Kim, J.; Suh, K. S. ACS Nano 2010, 4, 1612. doi: 10.1021/nn901525e

    25. [25]

      Chang, D. W.; Choi, H. J.; Baek, J. B. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 7659. doi: 10.1039/C4TA07035F

    26. [26]

      Mei, X.; Ouyang, J. Carbon 2011, 49, 5389. doi: 10.1016/j.carbon.2011.08.019

    27. [27]

      Díez-Betriu, X.; Álvarez-García, S.; Botas, C.; Álvarez, P.; Sánchez-Marcos, J.; Prieto, C.; Menéndez, R.; de Andrés, A. J. Mater. Chem. C 2013, 1, 6905. doi: 10.1039/C3TC31124D

    28. [28]

      Stankovich, S.; Dikin, D. A.; Piner, R. D.; Kohlhaas, K. A.; Kleinhammes, A.; Jia, Y.; Wu, Y.; Nguyen, S. T.; Ruoff, R. S. Carbon 2007, 45, 1558. doi: 10.1016/j.carbon.2007.02.034

    29. [29]

      Tung, V. C.; Allen, M. J.; Yang, Y.; Kaner, R. B. Nat. Nanotechnol. 2009, 4, 25. doi: 10.1038/nnano.2008.329

    30. [30]

      Mattevi, C.; Eda, G.; Agnoli, S.; Miller, S.; Mkhoyan, K. A.; Celik, O.; Mastrogiovanni, D.; Granozzi, G.; Garfunkel, E.; Chhowalla, M. Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 2577. doi: 10.1002/adfm.200900166

    31. [31]

      Krishnamoorthy, K.; Veerapandian, M.; Mohan, R.; Kim, S. J. Appl. Phys. A 2012, 106, 501. doi: 10.1007/s00339-011-6720-6

    32. [32]

      Jeon, I. Y.; Yu, D.; Bae, S. Y.; Choi, H. J.; Chang, D. W.; Dai, L.; Baek, J. B. Chem. Mater. 2011, 23, 3987. doi: 10.1021/cm201542m

    33. [33]

      Chang, D. W.; Lee, E. K.; Park, E. Y.; Yu, H.; Choi, H. J.; Jeon, I. Y.; Sohn, G. J.; Shin, D.; Park, N.; Oh, J. H. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 8981. doi: 10.1021/ja402555n

    34. [34]

      Wang, H.; Xie, M.; Thia, L.; Fisher, A.; Wang, X. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 5, 119. doi: 10.1021/jz402416a

    35. [35]

      Yang, S.; Zhi, L.; Tang, K.; Feng, X.; Maier, J.; Müllen, K. Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 3634. doi: 10.1002/adfm.201200186

    36. [36]

      Li, X.; Tang, T.; Li, M.; He, X. Appl. Phys. Lett. 2015, 106, 013110. doi: 10.1063/1.4905342

    37. [37]

      Eda, G.; Fanchini, G.; Chhowalla, M. Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 270. doi: 10.1038/nnano.2008.83

    38. [38]

      Wang, Y.; Shao, Y.; Matson, D. W.; Li, J.; Lin, Y. ACS Nano 2010, 4, 1790. doi: 10.1021/nn100315s

    39. [39]

      Reddy, A. L. M.; Srivastava, A.; Gowda, S. R.; Gullapalli, H.; Dubey, M.; Ajayan, P. M. ACS Nano 2010, 4, 6337. doi: 10.1021/nn101926g

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  11
  • 文章访问数:  1597
  • HTML全文浏览量:  172
文章相关
  • 发布日期:  2019-11-15
  • 收稿日期:  2019-03-01
  • 接受日期:  2019-03-27
  • 修回日期:  2019-03-26
  • 网络出版日期:  2019-11-04
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章