表面电荷转移掺杂石墨烯的研究进展

马来鹏 任文才 成会明

引用本文: 马来鹏, 任文才, 成会明. 表面电荷转移掺杂石墨烯的研究进展[J]. 物理化学学报, 2022, 38(1): 201208. doi: 10.3866/PKU.WHXB202012080 shu
Citation:  Lai-Peng Ma, Wencai Ren, Hui-Ming Cheng. Progress in Surface Charge Transfer Doping of Graphene[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2022, 38(1): 201208. doi: 10.3866/PKU.WHXB202012080 shu

表面电荷转移掺杂石墨烯的研究进展

    作者简介:
    任文才,1973年出生。2005年获中国科学院金属研究所博士学位; 现为中国科学院金属研究所研究员、博士生导师,国家“杰出青年基金”获得者。主要研究方向为石墨烯等二维材料的制备、物性与应用;

    通讯作者: 任文才, wcren@imr.ac.cn
  • 基金项目:

    国家重点研发计划项目 2016YFA0200101

    国家自然科学基金 51325205

    国家自然科学基金 51290273

    国家自然科学基金 51521091

    中国科学院项目 ZDBS-LY-JSC027

    中国科学院项目 XDB30000000

    中国科学院项目 KGZD-EW-303-1

    中国科学院项目 KGZD-EW-303-3

    中国科学院项目 KGZD-EWT06

    辽宁省“兴辽英才计划” XLYC1808013

摘要: 表面电荷转移掺杂是调制石墨烯电学特性的重要手段。发展高效、稳定的表面电荷转移掺杂剂对于提高石墨烯的电学和光电性能、从而推动其在电子和光电领域中的应用具有重要意义。本文围绕高效与稳定两个方面综述了近年来石墨烯表面电荷转移掺杂剂的研究现状以及掺杂石墨烯在光电器件应用方面的进展。根据掺杂剂的类型,着重介绍了最新发展的高效p型和n型掺杂剂,并概述了稳定掺杂方面的重要研究工作。此外,专门介绍了基于掺杂石墨烯透明电极的高性能光电器件。最后,根据表面电荷转移掺杂研究面临的主要挑战,对其未来的发展方向进行了展望。

English

    1. [1]

      Bonaccorso, F.; Sun, Z.; Hasan, T.; Ferrari, A. C. Nat. Photon. 2010, 4, 611. doi: 10.1038/Nphoton.2010.186

    2. [2]

      Ellmer, K. Nat. Photon. 2012, 6, 808. doi: 10.1038/Nphoton.2012.282

    3. [3]

      Du, J. H.; Pei, S. F.; Ma, L. P.; Cheng, H. M. Adv. Mater. 2014, 26, 1958. doi: 10.1002/adma.201304135

    4. [4]

      Ma, L. P.; Wu, Z. B.; Yin, L. C.; Zhang, D. D.; Dong, S. C.; Zhang, Q.; Chen, M. L.; Ma, W.; Zhang, Z. B.; Du, J. H.; et al. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2020, 117, 25991. doi: 10.1073/pnas.1922521117

    5. [5]

      Qiu, C. G.; Liu, F.; Xu, L.; Deng, B.; Xiao, M. M.; Si, J.; Lin, L.; Zhang, Z. Y.; Wang, J.; Guo, H.; et al. Science 2018, 361, 387. doi: 10.1126/science.aap9195

    6. [6]

      Biswas, C.; Lee, Y. H. Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 3806. doi: 10.1002/adfm.201101241

    7. [7]

      Das, A.; Pisana, S.; Chakraborty, B.; Piscanec, S.; Saha, S. K.; Waghmare, U. V.; Novoselov, K. S.; Krishnamurthy, H. R.; Geim, A. K.; Ferrari, A. C.; et al. Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 210. doi: 10.1038/nnano.2008.67

    8. [8]

      Zhu, H. Y.; Gan, X.; McCreary, A.; Lv, R. T.; Lin, Z.; Terrones, M. Nano Today 2020, 30, 100829. doi: 10.1016/j.nantod.2019.100829

    9. [9]

      Lin, L.; Li, J. Y.; Yuan, Q. H.; Li, Q. C.; Zhang, J. C.; Sun, L. Z.; Rui, D. R.; Chen, Z. L.; Jia, K. C.; Wang, M. Z.; et al. Sci. Adv. 2019, 5, eaaw8337. doi: 10.1126/sciadv.aaw8337

    10. [10]

      Zhang, X. J.; Shao, Z. B.; Zhang, X. H.; He, Y. Y.; Jie, J. S. Adv. Mater. 2016, 28, 10409. doi: 10.1002/adma.201601966

    11. [11]

      Liu, H. T.; Liu, Y. Q.; Zhu, D. B. J. Mater. Chem. 2011, 21, 3335. doi: 10.1039/c0jm02922j

    12. [12]

      Bae, S.; Kim, H.; Lee, Y.; Xu, X. F.; Park, J. S.; Zheng, Y.; Balakrishnan, J.; Lei, T.; Kim, H. R.; Song, Y. I.; et al. Nat. Nanotechnol. 2010, 5, 574. doi: 10.1038/Nnano.2010.132

    13. [13]

      Kasry, A.; Kuroda, M. A.; Martyna, G. J.; Tulevski, G. S.; Bol, A. A. ACS Nano 2010, 4, 3839. doi: 10.1021/nn100508g

    14. [14]

      Wang, Y.; Tong, S. W.; Xu, X. F.; Ozyilmaz, B.; Loh, K. P. Adv. Mater. 2011, 23, 1514. doi: 10.1002/adma.201003673

    15. [15]

      Ma, L. P.; Dong, S. C.; Chen, M. L.; Ma, W.; Sun, D. M.; Gao, Y.; Ma, T.; Cheng, H. M.; Ren, W. C. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 40756. doi: 10.1021/acsami.8b13686

    16. [16]

      Jung, N.; Kim, N.; Jockusch, S.; Turro, N. J.; Kim, P.; Brus, L. Nano Lett. 2009, 9, 4133. doi: 10.1021/nl902362q

    17. [17]

      Crowther, A. C.; Ghassaei, A.; Jung, N.; Brus, L. E. ACS Nano 2012, 6, 1865. doi: 10.1021/nn300252a

    18. [18]

      Yuan, J. T.; Ma, L. P.; Pei, S. F.; Du, J. H.; Su, Y.; Ren, W. C.; Cheng, H. M. ACS Nano 2013, 7, 4233. doi: 10.1021/nn400682u

    19. [19]

      Khrapach, I.; Withers, F.; Bointon, T. H.; Polyushkin, D. K.; Barnes, W. L.; Russo, S.; Craciun, M. F. Adv. Mater. 2012, 24, 2844. doi: 10.1002/adma.201200489

    20. [20]

      Ho, P. H.; Chen, C. H.; Shih, F. Y.; Chang, Y. R.; Li, S. S.; Wang, W. H.; Shih, M. C.; Chen, W. T.; Chiu, Y. P.; Li, M. K.; et al. Adv. Mater. 2015, 27, 7809. doi: 10.1002/adma.201503592

    21. [21]

      Kinoshita, H.; Jeon, I.; Maruyama, M.; Kawahara, K.; Terao, Y.; Ding, D.; Matsumoto, R.; Matsuo, Y.; Okada, S.; Ago, H. Adv. Mater. 2017, 29, 1702141. doi: 10.1002/adma.201702141

    22. [22]

      Park, I. J.; Kim, T. I.; Yoon, T.; Kang, S.; Cho, H.; Cho, N. S.; Lee, J. I.; Kim, T. S.; Choi, S. Y. Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1704435. doi: 10.1002/Adfm.201704435

    23. [23]

      Kim, K. K.; Reina, A.; Shi, Y. M.; Park, H.; Li, L. J.; Lee, Y. H.; Kong, J. Nanotechnology 2010, 21, 285205. doi: 10.1088/0957-4484/21/28/285205

    24. [24]

      Chandramohan, S.; Seo, T. H.; Janardhanam, V.; Hong, C. H.; Suh, E. K. Appl. Surf. Sci. 2017, 418, 258. doi: 10.1016/j.apsusc.2017.01.097

    25. [25]

      Farmer, D. B.; Golizadeh-Mojarad, R.; Perebeinos, V.; Lin, Y. M.; Tulevski, G. S.; Tsang, J. C.; Avouris, P. Nano Lett. 2009, 9, 388. doi: 10.1021/nl803214a

    26. [26]

      Dong, X. C.; Fu, D. L.; Fang, W. J.; Shi, Y. M.; Chen, P.; Li, L. J. Small 2009, 5, 1422. doi: 10.1002/smll.200801711

    27. [27]

      Yokota, K.; Takai, K.; Enoki, T. Nano Lett. 2011, 11, 3669. doi: 10.1021/nl201607t

    28. [28]

      Tongay, S.; Berke, K.; Lemaitre, M.; Nasrollahi, Z.; Tanner, D. B.; Hebard, A. F.; Appleton, B. R. Nanotechnology 2011, 22, 425701. doi: 10.1088/0957-4484/22/42/425701

    29. [29]

      Lee, W. H.; Suk, J. W.; Lee, J.; Hao, Y. F.; Park, J.; Yang, J. W.; Ha, H. W.; Murali, S.; Chou, H.; Akinwande, D.; et al. ACS Nano 2012, 6, 1284. doi: 10.1021/nn203998j

    30. [30]

      Li, N.; Oida, S.; Tulevski, G. S.; Han, S. J.; Hannon, J. B.; Sadana, D. K.; Chen, T. C. Nat. Commun. 2013, 4, 2294. doi: 10.1038/Ncomms3294

    31. [31]

      Wei, P.; Liu, N.; Lee, H. R.; Adijanto, E.; Ci, L. J.; Naab, B. D.; Zhong, J. Q.; Park, J.; Chen, W.; Cui, Y.; et al. Nano Lett. 2013, 13, 1890. doi: 10.1021/nl303410g

    32. [32]

      Yun, J. M.; Park, S.; Hwang, Y. H.; Lee, E. S.; Maiti, U.; Moon, H.; Kim, B. H.; Bae, B. S.; Kim, Y. H.; Kim, S. O. ACS Nano 2014, 8, 650. doi: 10.1021/nn4053099

    33. [33]

      Sojoudi, H.; Baltazar, J.; Tolbert, L.; Henderson, C.; Graham, S. Adv. Mater. Interfaces 2014, 1, 1400378. doi: 10.1002/admi.201400378

    34. [34]

      Lee, B. H.; Lee, J. H.; Kahng, Y. H.; Kim, N.; Kim, Y. J.; Lee, J.; Lee, T.; Lee, K. Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 1847. doi: 10.1002/adfm.201302928

    35. [35]

      Cha, M. J.; Song, W.; Kim, Y.; Jung, D. S.; Jung, M. W.; Lee, S. I.; Adhikari, P. D.; An, K. S.; Park, C. Y. RSC Adv. 2014, 4, 37849. doi: 10.1039/c4ra04518a

    36. [36]

      Kim, S. J.; Ryu, J.; Son, S.; Yoo, J. M.; Park, J. B.; Won, D.; Lee, E. K.; Cho, S. P.; Bae, S.; Cho, S.; et al. Chem. Mater. 2014, 26, 2332. doi: 10.1021/cm500335y

    37. [37]

      Kim, Y.; Ryu, J.; Park, M.; Kim, E. S.; Yoo, J. M.; Park, J.; Kang, J. H.; Hong, B. H. ACS Nano 2014, 8, 868. doi: 10.1021/nn405596j

    38. [38]

      Xu, W.; Wang, L.; Liu, Y.; Thomas, S.; Seo, H. K.; Kim, K. I.; Kim, K. S.; Lee, T. W. Adv. Mater. 2015, 27, 1619. doi: 10.1002/adma.201405353

    39. [39]

      Han, T. H.; Kwon, S. J.; Li, N. N.; Seo, H. K.; Xu, W. T.; Kim, K. S.; Lee, T. W. Angew. Chem. Int. Edit. 2016, 55, 6197. doi: 10.1002/anie.201600414

    40. [40]

      Seo, S. W.; Lee, H. S.; Shin, D. H.; Kim, J. H.; Jang, C. W.; Kim, J. M.; Kim, S.; Choi, S. H. Nanotechnology 2017, 28, 425203. doi: 10.1088/1361-6528/aa8533

    41. [41]

      Kwon, S. J.; Han, T. H.; Ko, T. Y.; Li, N.; Kim, Y.; Kim, D. J.; Bae, S. H.; Yang, Y.; Hong, B. H.; Kim, K. S.; et al. Nat. Commun. 2018, 9, 2037. doi: 10.1038/s41467-018-04385-4

    42. [42]

      He, H.; Kim, K. H.; Danilov, A.; Montemurro, D.; Yu, L. Y.; Park, Y. W.; Lombardi, F.; Bauch, T.; Moth-Poulsen, K.; Lakimov, T.; et al. Nat. Commun. 2018, 9, 3956. doi: 10.1038/s41467-018-06352-5

    43. [43]

      Yu, J. J.; Zhang, M. J.; He, J. J.; Zhang, C. F.; Cui, W. W.; Wang, N.; Huang, C. S. Appl. Surf. Sci. 2019, 463, 900. doi: 10.1016/j.apsusc.2018.09.021

    44. [44]

      Bianco, G. V.; Sacchetti, A.; Milella, A.; Grande, M.; D'Orazio, A.; Capezzuto, P.; Bruno, G. Carbon 2020, 170, 75. doi: 10.1016/j.carbon.2020.07.038

    45. [45]

      Tavakoli, M. M.; Azzellino, G.; Hempel, M.; Lu, A. Y.; Martin-Martinez, F. J.; Zhao, J. Y.; Yeo, J. J.; Palacios, T.; Buehler, M. J.; Kong, J. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2001924. doi: 10.1002/adfm.202001924

    46. [46]

      Ni, G. X.; Zheng, Y.; Bae, S.; Tan, C. Y.; Kahya, O.; Wu, J.; Hong, B. H.; Yao, K.; Ozyilmaz, B. ACS Nano 2012, 6, 3935. doi: 10.1021/nn3010137

    47. [47]

      Kim, H.; Kim, H. H.; Jang, J. I.; Lee, S. K.; Lee, G. W.; Han, J. T.; Cho, K. Adv. Mater. 2014, 26, 8141. doi: 10.1002/adma.201403196

    48. [48]

      Seo, Y. M.; Cho, H. J.; Jang, H. S.; Jang, W.; Lim, J. Y.; Jang, Y.; Gu, T.; Choi, J. Y.; Whang, D. Adv. Electron. Mater. 2018, 4, 1700622. doi: 10.1002/aelm.201700622

    49. [49]

      Chugh, S.; Adhikar, N.; Lee, J. H.; Berman, D.; Echegoyen, L.; Kaul, A. B. ACS Appl. Mater. Inter. 2019, 11, 24349. doi: 10.1021/acsami.9b00603

    50. [50]

      Yang, J. H.; Yang, H. W.; Jun, B. O.; Shin, J. H.; Kim, S.; Jang, A. R.; Yoon, S. I.; Shin, H. S.; Park, D.; Park, K.; et al. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1808057. doi: 10.1002/adfm.201808057

    51. [51]

      Gierz, I.; Riedl, C.; Starke, U.; Ast, C. R.; Kern, K. Nano Lett. 2008, 8, 4603. doi: 10.1021/nl802996s

    52. [52]

      Ren, Y. J.; Chen, S. S.; Cai, W. W.; Zhu, Y. W.; Zhu, C. F.; Ruoff, R. S. Appl. Phys. Lett. 2010, 97, 053107. doi: 10.1063/1.3471396

    53. [53]

      Kim, M.; Kim, K. J.; Lee, S. J.; Kim, H. M.; Cho, S. Y.; Kim, M. S.; Kim, S. H.; Kim, K. B. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 701. doi: 10.1021/acsami.6b12622

    54. [54]

      Jung, N.; Kim, B.; Crowther, A. C.; Kim, N.; Nuckolls, C.; Brus, L. ACS Nano 2011, 5, 5708. doi: 10.1021/nn201368g

    55. [55]

      Bao, W. Z.; Wan, J. Y.; Han, X. G.; Cai, X. H.; Zhu, H. L.; Kim, D. H.; Ma, D. K.; Xu, Y. L.; Munday, J. N.; Drew, H. D.; et al. Nat. Commun. 2014, 5, 4224. doi: 10.1038/Ncomms5224

    56. [56]

      Rosenzweig, P.; Karakachian, H.; Marchenko, D.; Kuster, K.; Starke, U. Phys. Rev. Lett. 2020, 125, 176403. doi: 10.1103/PhysRevLett.125.176403

    57. [57]

      Eda, G.; Lin, Y. Y.; Miller, S.; Chen, C. W.; Su, W. F.; Chhowalla, M. Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 233305. doi: 10.1063/1.2937846

    58. [58]

      Cui, T. X.; Lv, R. T.; Huang, Z. H.; Chen, S. X.; Zhang, Z. X.; Gan, X.; Jia, Y.; Li, X. M.; Wang, K. L.; Wu, D. H.; et al. J. Mater. Chem. A 2013, 1, 5736. doi: 10.1039/c3ta01634j

    59. [59]

      Ojeda-Aristizabal, C.; Santos, E. J. G.; Onishi, S.; Yan, A. M.; Rasool, H. I.; Kahn, S.; Lv, Y. C.; Latzke, D. W.; Velasco, J.; Crommie, M. F.; et al. ACS Nano 2017, 11, 4686. doi: 10.1021/acsnano.7b00551

    60. [60]

      Bult, J. B.; Crisp, R.; Perkins, C. L.; Blackburn, J. L. ACS Nano 2013, 7, 7251. doi: 10.1021/nn402673z

    61. [61]

      De Sanctis, A.; Jones, G. F.; Wehenkel, D. J.; Bezares, F.; Koppens, F. H. L.; Craciun, M. F.; Russo, S. Sci. Adv. 2017, 3, e1602617. doi: 10.1126/sciadv.1602617

    62. [62]

      De Sanctis, A.; Barnes, M. D.; Amit, I.; Craciun, M. F.; Russo, S. Nanotechnology 2017, 28, 124004. doi: 10.1088/1361-6528/aa5ec0

    63. [63]

      Kim, J. S.; Kim, B. J.; Choi, Y. J.; Lee, M. H.; Kang, M. S.; Cho, J. H. Adv. Mater. 2016, 28, 4803. doi: 10.1002/adma.201505378

    64. [64]

      陈召龙, 高鹏, 刘忠范. 物理化学学报, 2020, 36, 1907004. doi: 10.3866/PKU.WHXB201907004Chen, Z. L.; Gao, P.; Liu, Z. F., Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36, 1907004. doi: 10.3866/PKU.WHXB201907004

    65. [65]

      Jia, S.; Sun, H. D.; Du, J. H.; Zhang, Z. K.; Zhang, D. D.; Ma, L. P.; Chen, J. S.; Ma, D. G.; Cheng, H. M.; Ren, W. C. Nanoscale 2016, 8, 10714. doi: 10.1039/c6nr01649a

    66. [66]

      Zhang, Z. K.; Du, J. H.; Zhang, D. D.; Sun, H. D.; Yin, L. C.; Ma, L. P.; Chen, J. S.; Ma, D. G.; Cheng, H. M.; Ren, W. C. Nat. Commun. 2017, 8, 14560. doi: 10.1038/Ncomms14560

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  32
  • 文章访问数:  3261
  • HTML全文浏览量:  668
文章相关
  • 发布日期:  2022-01-15
  • 收稿日期:  2020-12-29
  • 接受日期:  2021-01-26
  • 修回日期:  2021-01-26
  • 网络出版日期:  2021-02-03
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