特写立体图像：单个氮原子在石墨烯片上。石墨烯这种材料是由排列成蜂巢状的碳原子制成。较大的氮原子凸出在上面。来源：哥伦比亚大学
强度，柔韧性，透明度和高导电性，使单层石墨烯成为独特的宝贵材料，可用于下一代电子设备。这种材料用蜂巢状排列的碳原子制成，可以想一下鸡爪状的铁丝网，透明度为97％，比钢强1000倍。

研究人员正在研究各种方法，调节石墨烯性能，进行特定的电子应用。有一种方法可以做到这一点，就是掺杂，引入少量其他元素，如氮，磷，这可以增加或减少这一系统中的电子。因为掺杂已经广泛用于硅技术中，所以，也在单层石墨烯薄片上进行了实验；但到现在为止，从细节上看，掺杂原子如何适应这种薄片，如何键合相邻的碳，仍捉摸不定。

有一项研究发表在8月9日的《科学》上，研究人员来自哥伦比亚大学（Columbia University），韩国世宗大学（Sejong University）和斯坦福线性加速器中心（SLAC），布鲁克海文（Brookhaven）国家实验室，他们结合使用四种技术，制成第一幅氮掺杂石墨烯薄膜的细部图像。他们发现，在这种二维薄片中，单个氮原子取代了碳原子的位置，每个氮原子提供的额外电子，有一半左右分布在整个石墨烯晶格上；而且发现，这改变石墨烯电子结构，只是在很短的距离内， 就是与掺杂原子相距约两个碳原子的宽度。能够在原子水平上控制这种电子结构具有重要意义，可以调节石墨烯独特的电子特性，进行特定的设备应用。

这个图像显示的部位，就是石墨烯掺杂氮原子的地方。微小的红色亮点显示，单个氮原子已进入石墨烯晶格，因为它们只有少许。这种扫描隧道显微镜图像显示，单个氮原子处于碳原子之间，就在石墨烯薄膜中。氮原子作为掺杂，可改变材料性能。来源：斯坦福同步辐射光源

“我们并没有试图研究现有系统，使它们更好。我们正在寻找新的方向，可能实现高得多的效率，” 论文共同作者提安纳•西罗斯（Theanne Schiros）说，她是能源部能源前沿研究中心（Department of Energy’s Energy Frontier Research Center）的表面科学家，在哥伦比亚大学，他正在研究石墨烯，是作为一种潜在电极，用于新颖的光伏设备。

“现在我们看到，掺杂是一种办法，可用于石墨烯，干净而且非常管用，”她说，提供了一个潜在方法，可以创造高品质石墨烯薄膜，用于电子领域，包括太阳能电池。

西罗斯对斯坦福线性加速器中心并不陌生，她做博士研究就是在这里，指导老师是安德斯•尼尔森（Anders Nilsson）。目前，她在哥伦比亚大学的工作重点，是使用同步辐射光源X射线探索新型材料，以用于可再生能源技术。

为了这项研究，她回到斯坦福线性加速器中心，与丹尼斯•诺德隆德（Dennis Nordlund）一起工作，他是斯坦福线性加速器中心斯坦福同步辐射光源（SSRL：Stanford Synchrotron Radiation Lightsource）的科学家，这里，最近的升级使他们能够同时自动扫描氮掺杂石墨烯薄膜样品。

这一研究小组培育这些薄膜，是在铜箔薄片上进行化学气相沉积。

他们分析了铜箔上的一些薄膜样品，又把其他样品转移到二氧化硅上，就是设备测量的标准基板上，就这样进行测试。每个样品的检测都采用拉曼光谱仪（Raman spectroscopy）和扫描隧道显微镜（STM：scanning tunneling microscopy），这都是在哥伦比亚大学进行，而采用X射线束是采用斯坦福线性加速器中心的斯坦福同步辐射光源，以及布鲁克海文国家实验室的国家同步辐射光源（NSLS：National Synchrotron Light Source）。

拉曼光谱表明，氮掺杂改变了石墨烯薄片的电子特性，但不会干扰它的基本结构。斯坦福同步辐射光源X射线测量的光束线10-1和13-2，以及国家同步辐射光源的光束线U7A表明，氮原子放在平面石墨烯片内，每个氮原子键合三个相邻的碳；换句话说，每个氮原子取代薄片上的一个碳。

最后，扫描穿隧显微镜图像显示，氮原子是石墨烯表面上的亮点。通过计算那些亮点，研究人员就可以确定，每个碳原子的氮掺杂浓度不同，从0.23％到0.35％不等。这幅图像还透露，氮原子伸出石墨层约0.6埃（angstrom），好像它们要替代晶格中的碳。这些结果符合扫描穿隧显微镜图像的理论模拟。

论文的第一作者是哥伦比亚大学物理学研究生赵柳岩（Liuyan Zhao），他在阿布海N.•帕苏帕西（Abhay N. Pasupathy）的实验室工作。