近代物理所揭示單層石墨烯荷能重離子輻照損傷規律

　　中國科學院近代物理研究所材料研究中心采用快重離子及高電荷態離子研究單層石墨烯輻照效應，通過對石墨烯與塊體石墨輻照損傷的實驗和理論分析，獲得石墨烯與塊體石墨輻照損傷程度的變化規律，首次得到兩者輻照損傷差異的成因。

　　石墨烯是目前世界上已知的最薄材料，集眾多神奇特性于一身。其熱導率是室溫下純金剛石的3倍；存儲鋰離子的能力是石墨的近10倍；電子在石墨烯中的運動速度達到了光速的1/300，是硅材料的100倍。石墨烯有望替代硅，成為新一代電子器件的主題材料。石墨烯的重離子輻照效應研究，不僅為石墨烯在新一代半導體器件中的應用奠定基礎，也可以通過重離子輻照從原子尺度上調控石墨烯性質，拓寬二維材料的應用范圍。

　　材料研究中心借助蘭州重離子加速器（HIRFL）提供的能量479 MeV的 86Kr 和 250 MeV的 112Sn快重離子，以及320 kV高電荷態離子綜合研究平臺提供的4 MeV 86Kr19+離子，對單層石墨烯樣品以及高定向石墨（HOPG）進行了輻照。數據分析表明，相同輻照條件下，單層石墨烯與HOPG的輻照損傷具有明顯差異，因此石墨烯的應用需要考慮離子輻照損傷的影響。通過改進Lucchese的理論模型，成功擬合了石墨烯與HOPG的實驗數據（見下圖）。結果表明，石墨烯與HOPG的損傷程度（ID/IG）隨入射離子注量的變化趨勢不同，HOPG中只有激活區，而石墨烯輻照后除了激活區，還存在結構完全損傷區，兩個區域的競爭導致石墨烯輻照損傷隨注量有三個變化階段，中間存在拐點。

　　研究成果發表在工程技術類雜志Carbon上（2016， Vol. 100, Pages 16-26）。

　　上述工作得到國家自然科學基金的資助。

圖(a) 高電荷態離子Kr19+輻照后石墨與石墨烯ID/IG 隨徑跡之間的平均距離Ld變化及其擬合對比；(b) 對數坐標下，Kr19+輻照后石墨與石墨烯ID/IG 隨Ld變化及其擬合對比。