Research Abstract

窒素ドープグラフェン: 単一置換を超えるドーピング、および分子センシングの向上

Nitrogen-doped graphene: beyond single substitution and enhanced molecular sensing

2012年8月17日 Scientific Reports 2 : 586 doi: 10.1038/srep00586

グラフェンは、sp2混成軌道の炭素原子が2つの異なる三角形副格子(A、B)に並んだ2次元ネットワークである。グラフェンに窒素原子を導入すると、副格子内のドープ構造に応じて物理化学的特性が顕著に変わり得る。今回我々は、大気圧化学気相堆積法により高結晶性大面積単層Nドープグラフェン(NG)シートを合成し、同じグラフェン副格子内で2つの準隣接置換窒素原子からなる独特なNドープサイト(N2AA)を得たことについて報告する。N2AAドーピングによって誘起された局在状態が伝導帯に存在することが、NGの走査トンネル顕微鏡/分光(STM/STS)観測で明らかになり、ab initio計算で裏付けられた。さらに我々は、NGを使えば、グラフェン増強ラマン散乱の大幅な増大により有機分子を効率よく調べられることを初めて実証した。

Ruitao Lv1*, Qing Li2*, Andrés R. Botello-Méndez3*, 林 卓哉4, Bei Wang1, Ayse Berkdemir1, Qingzhen Hao1, Ana Laura Elías1, Rodolfo Cruz-Silva4, Humberto R. Gutiérrez1, Yoong Ahm Kim4, 村松寛之4, Jun Zhu1, 遠藤 守信4, Humberto Terrones1,5, Jean-Christophe Charlier3, Minghu Pan2 & Mauricio Terrones1,4

  1. ペンシルベニア州立大学(米国)
  2. オークリッジ国立研究所(米国)
  3. ルーヴァン・カトリック大学(ベルギー)
  4. 信州大学 エキゾチック・ナノカーボンの創成と応用プロジェクト拠点
  5. 連邦セアラ大学(ブラジル)
    *本研究は、Ruitao Lv、Qing Li、Andrés R. Botello-Méndezの3研究者が同等に貢献した成果として論文発表しています。
Graphene is a two-dimensional network in which sp2-hybridized carbon atoms are arranged in two different triangular sub-lattices (A and B). By incorporating nitrogen atoms into graphene, its physico-chemical properties could be significantly altered depending on the doping configuration within the sub-lattices. Here, we describe the synthesis of large-area, highly-crystalline monolayer N-doped graphene (NG) sheets via atmospheric-pressure chemical vapor deposition, yielding a unique N-doping site composed of two quasi-adjacent substitutional nitrogen atoms within the same graphene sub-lattice (N2AA). Scanning tunneling microscopy and spectroscopy (STM and STS) of NG revealed the presence of localized states in the conduction band induced by N2AA-doping, which was confirmed by ab initio calculations. Furthermore, we demonstrated for the first time that NG could be used to efficiently probe organic molecules via a highly improved graphene enhanced Raman scattering.