石墨烯，這個大家熟悉又陌生的特殊物質，在2004年英國曼徹斯特大學的物理學家安德烈·海姆（AndreGeim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（KonstanTInNovoselov）在實驗室巧妙地用機械剝離法制得今天備受矚目的二維結構的石墨烯，并因此也獲得了2010年的諾貝爾物理學獎。

當然，在石墨烯這種特殊材料出現(xiàn)后，各種科學家開始瘋狂地以它為研究對象展開各種性質的探討。當他們的研究成果公之于眾時，石墨烯的新奇的特殊性質也不得不使我們瞠目結舌。對于其力學性質，曾經(jīng)美國一位名叫杰弗雷。基薩的機械工程師提出了這樣一個比喻——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，他擁有多么獨一無二而又強大的力學性質。

石墨烯摻雜技術三大方法解析

更值得關注的是，它的電學性質也十分奇特。實驗表明，石墨烯所有的電子的運動速率大約都是光子的1/300，這遠遠超過了電子在以半導體中的速度，使它具有超強的導電性。然而，由于石墨烯是帶隙為零的良導體，我們便不能有效地調控它的電學特性，從而不能將它廣泛運用在電子器件之中。因此，我們需要采取特殊手段來調整石墨烯的帶隙，使之具備半導體特性，然而，其中最有效的方法之一便是向石墨烯中摻入雜質原子。

對于石墨烯的摻雜技術，現(xiàn)在的科學研究也有許多方法，當然他們各自的優(yōu)缺點也是至關重要的，因為這將影響石墨烯的摻雜效果。下面便是其中一些常用的技術方法。

化學氣相沉淀法（亦叫CVD法）

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

在石墨烯的摻雜過程中，若用此法，可以大大提高效率。因為目前最有效的制備石墨烯薄膜的方法之一就是利用CVD法來制備，然而，如果我們在制備石墨烯的過程當中就加入摻雜原子，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程舉例吧。在利用CVD法制備摻氮石墨烯的時候，是利用甲烷（CH4）和氨氣（NH3）來提供碳源和氮源在特殊的反應爐里發(fā)生高溫的氧化還原反應。氣態(tài)的甲烷和氨氣進行反應后生成的C在高溫下也呈氣態(tài)，在遇到襯底后會薄薄地附在襯底表面，由于反應氣體中還有N原子，它在反應當中也是有很大作用的。在C原子沉淀在襯底的途中，因為N原子的數(shù)量也是不可忽略的，它也會隨著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)，這種方式制備起來效率較高，且操作也不是很困難。但就是設備技術要求較高，需要相應的一些高水平的設備才能精確無誤地實現(xiàn)該實驗，成本也是相當高的。

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。因為該方法是基于石墨烯薄膜來實現(xiàn)的。而該方法的操作也不是很復雜，但需要一臺高能離子注入設備。我們將準備好的石墨烯薄膜置入離子注入機內，之后利用離子注入機將所需摻入的雜質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于摻雜來說是相當重要的，因為我們正是要將雜質原子給“安裝”在這些空缺位置中以來填補這些空位，使這個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功能，一個是“高能”，而另一個是“粒子束”，為什么這么說呢？因為“高能”是為了讓該粒子束具有高能量，以使之能夠有足夠能量破壞石墨烯中C原子環(huán)的結構，使某些C連接斷開而制造出“空位”。而“粒子束”是為了提供雜質原子，將產生的空位迅速填補上雜質原子，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方法相同的問題——對于設備技術要求較高，成本花費也比較大。

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單且耗費也不大，并且制備條件也不用高溫等的苛刻條件，室溫下便可進行（當然，最后還是要稍稍高溫將制備的氧化石墨烯溶液烘烤成膜，但溫度遠沒制石墨烯的高）。當有了氧化石墨烯薄膜，（我們仍以摻氮石墨烯為例）便可將該膜和一些含氮化合物如尿素或三聚氰胺等放入相應的反應爐中進行高溫反應。由于含氮化合物在高溫下會分解出許多含氮氣體（如氨氣等），他們會與氧化石墨烯表面的含氧官能團（如羧基等）發(fā)生相應的有機反應，以生成含氮的官能團，從而達到摻雜的目的。

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

現(xiàn)在，關于摻雜石墨烯的研究和應用也越來越多，其中有很多科學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，并且對他們所具備的特性進行了詳細的研究，也發(fā)現(xiàn)了許多獨特的優(yōu)勢。這樣看來，摻雜石墨烯在材料領域以及電子領域擁有潛質性的發(fā)展及應用，甚至可能在某些方面能夠改變我們的生活，哪怕是一點點，也將是一個巨大的成功。