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  化學功能化修飾與摻雜是調控石墨烯電子結構的重要方法之一。近年來，越來越多的學者嘗試對石墨烯進行多種化學表面修飾或摻雜，通過調控其帶隙、載流子遷移率等電學性能，從而達到提升光電子器件性能的目標。但是受化學反應限制，這些方法都表現出單向的特點。如何實現可逆調控石墨烯的電子結構，大幅提升器件性能的可逆調控性，仍是該領域面臨的重要挑戰之一。

  通過特定的原子或原子團與石墨烯發生化學反應，能有效地實現對石墨烯的可逆性修飾/摻雜。所形成的化學鍵決定了修飾/摻雜的可逆性。在多種化學鍵合方式中，動態共價鍵因其具有突出的可逆性和響應性等優勢，而成為實現可逆調控石墨烯電子結構的重要方法之一。它能在外部刺激（如輻照、加熱、濕度、酸堿度、化學刺激等）下斷裂或生成，從而達到可逆表面修飾、形狀記憶、自修復等目標。然而，盡管具有良好可逆響應的優勢，由于表面活性原子或基團較少，截止目前幾乎沒有采用動態共價鍵進行可逆修飾/摻雜石墨烯電子結構的相關報道。

  近期，天津大學材料學院封偉教授在分析動態共價鍵形成機理的基礎上，利用苯基溴化硒與氮摻雜石墨烯（NG）薄膜反應，形成硒氮動態共價鍵（Se-N），利用Se-N的溫度響應性實現了石墨烯的可逆性修飾。研究顯示，與石墨型氮原子相比，苯基溴化硒傾向于選擇性地與NG表面的吡咯型和吡啶型氮原子發生反應，形成Se-N動態共價鍵。Se-N動態共價鍵表現出明顯的溫度響應性，當溫度提升到60 ℃，Se–N鍵發生斷裂，隨著溫度進一步升高，這種斷裂效應更加明顯，當溫度達到130 ℃，Se-N全部消失，整個薄膜恢復到NG狀態，從而實現了可逆修飾。

  利用Se-NG薄膜制備場效應晶體管的電性能顯示出明顯的溫度依賴性。室溫下Se-NG薄膜由修飾前的n型摻雜（NG）轉變為p型，其電子和空穴遷移率分別由97.6 cm² V^-1 s^-1，229.4 cm² V^-1 s^-1轉變為3.1 cm² V^-1 s^-1，150.4 cm² V^-1 s^-1；在60 - 120 ℃分別處理15 min，隨著溫度升高，Se-N共價鍵逐漸發生斷裂，導致薄膜的電性能逐漸接近于NG；最終在130 ℃下處理Se-NG薄膜后，其導電類型、電子遷移率、空穴遷移率恢復到初始的NG的狀態。結果表明動態共價鍵選擇修飾可以實現NG電子結構的可逆調控。

圖1 Se–N動態共價鍵可逆修飾NG薄膜的示意圖

圖2 不同溫度下NG和Se–NG的X射線光電子能譜圖

(a,c) 不同加熱溫度下NG、Se–NG內N 1s的XPS光譜圖。擬合曲線表示不同成鍵方式。

(b,d) 3個循環修飾周期內各成鍵方式變化情況。

圖3 基于NG和Se–NG₁場效應晶體管的電學特性

(a)NG_1，Se–NG_1–30，Se–NG_1–60，Se–NG_1–90，Se–NG_1–120，Se–NG_1–130的轉移曲線。

(b) 狄拉克點電壓變化情況。

(c,d) 不同加熱溫度下修飾前后樣品內電子、空穴遷移率的相對變化情況。

  具有可逆調控功能的Se-NG薄膜首次實現了對石墨烯電子結構的可逆調控。該材料有望成為未來智能響應光電子器件的核心材料。相關研究成果近期以“Reversible Modification of Nitrogen–Doped Graphene Based on Se?N Dynamic Covalent Bonds for Field–Effect Transistors”為題發表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊（DOI: 10.1021/acsami.9b02989）上，第一作者為碩士研究生鄭楠楠，通訊作者為天津大學封偉教授和馮奕鈺教授。

  全文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.9b02989