mile米乐中国官方网站 成功测定碳原子膜石墨烯中所含微量元素的量

石墨烯是一种单原子厚度的薄膜，其中碳原子连接成六角形网络。它已作为防锈膜和氧化保护膜投入实际应用，并有望发展为下一代电池和高速半导体器件。为了控制石墨烯的功能，必须掺杂其他元素。使用传统方法，很难测量极薄石墨烯中掺杂的元素量，也很难比较掺杂量和功能变化。

东北大学国际同步辐射创新与智能研究中心（及多学科材料科学研究所）小川修一助理教授领导的联合研究小组、日本原子能机构、米乐m6官方网站和静冈大学利用了同步辐射光电子能谱^注1测量了掺杂钾的量。

研究结果将于 2022 年 9 月 12 日（当地时间）发表在荷兰一家主要学术出版公司的专业期刊上。应用表面科学

石墨烯是一种碳原子连接成六方网络、厚度为一个原子的薄膜，人们正在考虑将其用于保护膜和电池电极等各种领域。为了控制石墨烯的功能，向石墨烯中添加其他元素的“掺杂”是必不可少的。有一些掺杂石墨烯的方法，例如使用等离子体和将石墨烯浸入水溶液中，但问题是“掺杂多少元素？”确定掺杂元素（掺杂剂）的量对于评估石墨烯的功能很重要。以前通过霍尔效应测量等进行载流子密度测量^注2间接测定掺杂元素的浓度。然而，为了进行有效的掺杂，需要开发一种还可以测量未活化掺杂剂的量的掺杂剂浓度测量方法。特别是作为石墨烯的简单掺杂方法而受到关注。氢氧化钾水溶液浸泡法^注3”的钾掺杂浓度较低，且由于石墨烯只有一层原子层，因此使用常规分析方法很难准确测量掺杂量。

在这项研究中大型同步辐射装置SPring-8^注4的高亮度同步加速器辐射来测定的。我们还使用实时光电子能谱（一种跟踪化学状态变化的测量方法）来观察同步辐射照射期间钾浓度随时间的变化。光电子能谱法是一种无需使用同步加速器辐射即可进行测量的方法，但通过使用同步加速器辐射，可以测量钾等微量元素。通过对测量过程中获得的实验结果应用基于人工智能的新自动分析方法，我们明确了钾的浓度。

在这项研究中，我们发现当掺钾石墨烯受到同步辐射时，石墨烯中钾的浓度会降低。这被认为是由于光刺激解吸导致钾从石墨烯中释放出来。以前，为了将钾浓度与石墨烯状态相关联，需要制备多个具有不同钾浓度的样品。然而，通过使用实时光电子能谱跟踪 SPring-8 高强度同步加速器辐射引起的光刺激解吸过程，并使用 AI 自动分析获得的结果，我们能够阐明根据单个样品中钾浓度而变化的石墨烯状态。结果发现，石墨烯中所含的电子量根据钾浓度而变化，证实了钾确实在石墨烯中起到掺杂剂的作用。这些结果表明，“氢氧化钾水溶液浸渍法”在一层石墨烯中掺杂了大约1%的钾。研究发现，大约 1/8 的钾向石墨烯提供电子，有助于控制石墨烯的功能。

这项研究建立了一种测量石墨烯中微量钾的方法，通过这种方法，还可以明确掺杂到石墨烯中的杂质中活性钾的百分比。通过利用这种方法并开发更有效的掺杂方法，我们预计钾掺杂石墨烯将应用于多种领域，包括燃料电池电极、透明电极和高速运行的半导体器件。钾的含量需要根据用途而改变，但这种测量微量掺杂剂的方法正在仙台市正在建设的下一代同步加速器辐射设施中使用，计划于 2024 年开始使用。纳米露台」^{注释 5}，预计未来研究将朝着石墨烯的进一步应用方向发展。

这项研究得到了科学研究补助金 (17KK0125、20H02191、20K05338)、材料与器件联合研究中心的联合研究计划补助金、前川勋海学术研究补助金以及日本原子能机构挑战问题探索性研究计划的支持。

• Shuichi Okawa、Tadashi Ajikawa（东北大学）：协调实验计划、光电子能谱测量、自动光电子能谱分析程序的开发和使用该程序的分析
• Yuki Okikawa、Takahisa Yamada（米乐m6官方网站）：研究项目规划、钾掺杂石墨烯的制备和霍尔效应测量
• Tomoaki Masuzawa（静冈大学）：钾掺杂石墨烯的表征
• Akitaka Yoshikoshi、Yasutaka Tsuda、Tetsuya Sakamoto（日本原子能机构）：同步辐射光电子能谱实验的设计和实施、光电子能谱测量自动化程序的开发

标题：使用实时 XPS 评估堆叠两层石墨烯中的掺杂钾浓度
作者：小川修一（东北大学）、津田康隆（日本原子能机构）、坂本哲也（日本原子能机构）、冲川由纪（米乐m6官方网站）、增泽智明（静冈大学）、吉越秋隆（日本原子能机构）、阿布川正（东北大学）、 Takatoshi Yamada（米乐m6官方网站）
已出版的杂志：应用表面科学
DOI：101016/japsusc2022154748

注1光电子能谱

当材料暴露在短波长光（例如 X 射线或紫外线）下时，会发生一种称为“光电效应”的现象，其中电子会从材料中跳出。发射出的电子称为光电子，测量光电子的能量和数量的方法称为“光电子能谱”。光电子能谱使我们能够研究物质的化学状态及其所含元素的含量。然而，当元素的量减少时，光电子量也会减少，测量变得困难，但在这种情况下，通过使用自动计算机分析，我们能够澄清微量钾的量。[返回来源]

注2使用霍尔效应测量等的载流子密度测量

在半导体中，当带正电的空穴或带负电的电子移动时，电流就会流动。在研究半导体的特性时，弄清楚电流源是空穴还是电子极其重要。普通的电流表无法区分两者之间的区别，但是当将半导体放置在磁场中时，由于弗莱明左手定则，电荷会由于力而偏向一侧。此时，偏压的方向根据电荷是正还是负而不同。霍尔效应测量是一种通过检测该电荷偏压作为电压来确定半导体中电荷的正负极性及其数量（载流子密度）的方法。[返回来源]

注3氢氧化钾水溶液浸泡法

这是由米乐m6官方网站开发的一种方法，通过将石墨烯浸泡在氢氧化钾水溶液中来掺杂钾。这种方法可以实现简单的钾掺杂，有望用于调节石墨烯的电性能。[返回来源]

注4大型同步加速器辐射设施SPring-8

SPring-8 是位于兵库县播磨科学园区市的 RIKEN 设施，可产生世界上最高性能的同步加速器辐射。SPring-8 的名称来自 Super Photonring-8 GeV（千兆电子伏特）。同步辐射是一种高度定向且强大的电磁波，当电子加速到几乎等于光速并且其行进方向被电磁体弯曲时产生。 SPring-8 正在利用这种同步加速器辐射进行广泛的研究，包括纳米技术、生物技术和工业应用。[返回来源]

注5纳米露台

这是由国家量子放射线科学技术研究所和东北大学青叶山新校区光子学创新中心正在建设的下一代同步加速器辐射设施，计划于 2024 年开始使用。与 SPring-8 相比，它在软 X 射线区域具有优势，亮度比日本现有设施高 100 倍，具有世界最高水平的同步辐射装置分析能力。它的应用领域广泛，预计将应用到更广泛的领域，包括药物发现、医疗技术、节能环保、食品安全等。[返回来源]