我校物理學(xué)院、南京微結(jié)構(gòu)國家實驗室、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心的湯怒江副教授/都有為院士團(tuán)隊與東南大學(xué)和中科院金屬研究所合作，在低維碳材料（如碳納米管、石墨烯）的輕質(zhì)元素超摻雜和磁性等研究中取得突破性進(jìn)展，相關(guān)研究成果以《Elemental superdoping of graphene and carbon nanotubes》為題，2016年3月4日在線發(fā)表于Nature Communications 7,10921(2016)。我校物理學(xué)院2009級直博生劉圓及其導(dǎo)師湯怒江副教授完成了主要實驗工作，東南大學(xué)孫立濤教授研究組進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)的表征工作，中科院金屬所的劉暢研究組進(jìn)行了氧催化性能表征等工作。湯怒江副教授和中科院金屬所成會明研究員對整個研究工作進(jìn)行了組織與協(xié)調(diào)。湯怒江副教授、孫立濤教授與成會明研究員為論文共同通訊作者。

低維碳材料一直是實驗和理論研究的前沿。該類材料和其它無機(jī)自旋電子材料相比，自旋擴(kuò)散長度要高約3個數(shù)量級（達(dá)1.5~2 微米），這有利于人工調(diào)控其自旋，故這類材料在自旋電子學(xué)器件中具有潛在應(yīng)用前景。但石墨是一種本征非磁性材料，不存在局域磁矩，這限制了該類材料在自旋電子學(xué)器件上的應(yīng)用。因此，如何在本征非磁的低維碳材料中引入高濃度的局域磁矩，并使之發(fā)生鐵磁耦合而實現(xiàn)長程鐵磁有序，是迫切需要解決的一個關(guān)鍵科學(xué)問題。大量理論研究表明，輕質(zhì)元素（如氮、硫、硼等）的摻雜可在這類材料中有效引入局域磁矩。但由于這些元素只能摻雜在石墨層的空位位置處，加之空位濃度有限，使輕質(zhì)元素的摻雜濃度較低。此外，通過精確控制摻雜濃度進(jìn)而對其理化性質(zhì)進(jìn)行精確調(diào)控，對于開發(fā)其應(yīng)用也具有重要意義。

該合作團(tuán)隊提出了一種低維碳材料中的輕質(zhì)元素超摻雜技術(shù)，即首先對低維碳材料進(jìn)行氟化，然后進(jìn)行退氟處理，再進(jìn)行相關(guān)輕質(zhì)元素的原位摻雜。該技術(shù)不僅可以獲得超高的摻雜濃度，而且還能精確控制其摻雜濃度。例如，將低維碳材料進(jìn)行氟化后再在氨氣中退火，實現(xiàn)了對零維石墨烯量子點(diǎn)、一維碳納米管、二維石墨烯的超高濃度的氮摻雜。隨后該研究團(tuán)隊還借助該超摻雜技術(shù)實現(xiàn)了低維碳材料中的硫和硼的超摻雜，驗證了該技術(shù)的普適性。同時他們還發(fā)現(xiàn)，通過對低維碳材料的氟化度進(jìn)行控制，可精確調(diào)控氮和硫等輕質(zhì)元素的摻雜度。大量研究證明輕質(zhì)元素?fù)诫s在低維碳材料中的均勻性對摻雜材料的性能改進(jìn)效果具有重要影響。該研究團(tuán)隊以氮超摻雜石墨烯為例，通過超高分辨球差校正透射電鏡對其結(jié)構(gòu)和成份進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)氮摻雜分布具有高度均勻的特征。同時，從原子尺度上也證實了氟化退氟處理能夠在石墨片的基面上制造高濃度的空位，進(jìn)而有利于輕質(zhì)元素的超摻雜。

最后，該合作團(tuán)隊還對氮超摻雜石墨烯的磁、超級電容和氧催化等特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)氮超摻雜石墨烯均表現(xiàn)卓越。在磁性方面，氮的超摻雜引入了高濃度的局域自旋，有利于自旋間發(fā)生強(qiáng)的鐵磁耦合，并實現(xiàn)了近室溫的鐵磁性。此超摻雜技術(shù)還有望應(yīng)用在磷和硅等元素的超摻雜，并對更難以摻雜的低維碳材料薄膜和單納米器件具有重要借鑒意義，有望進(jìn)一步推動其在電子學(xué)、自旋電子學(xué)和儲能等領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)。

該項工作是湯怒江副教授/都有為院士團(tuán)隊近年來在低維碳材料磁性研究方向系列工作中的又一重要成果，相關(guān)前期成果分別發(fā)表在Appl. Phys. Lett. 102, 013111 (2013)、Sci. Rep. 3, 2566 (2013)和ACS Nano 7, 6729 (2013)等重要學(xué)術(shù)刊物上。該研究得到了科技部納米重大研究計劃、國家自然科學(xué)基金委、中科院等的資助。

（物理學(xué)院 科學(xué)技術(shù)處）