物理学院、南京微结构国家实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心的汤怒江副教授/都有为院士团队与东南大学和中科院金属研究所合作，在低维碳材料（如碳纳米管、石墨烯）的轻质元素超掺杂和磁性等研究中取得突破性进展，相关研究成果以《Elemental superdoping of graphene and carbon nanotubes》为题，2016年3月4日在线发表于Nature Communications 7,10921(2016)。我校物理学院2009级直博生刘圆及其导师汤怒江副教授完成了主要实验工作，东南大学孙立涛教授研究组进行了微观结构的表征工作，中科院金属所的刘畅研究组进行了氧催化性能表征等工作。汤怒江副教授和中科院金属所成会明研究员对整个研究工作进行了组织与协调。汤怒江副教授、孙立涛教授与成会明研究员为论文共同通讯作者。
低维碳材料一直是实验和理论研究的前沿。该类材料和其它无机自旋电子材料相比，自旋扩散长度要高约3个数量级（达1.5~2 微米），这有利于人工调控其自旋，故这类材料在自旋电子学器件中具有潜在应用前景。但石墨是一种本征非磁性材料，不存在局域磁矩，这限制了该类材料在自旋电子学器件上的应用。因此，如何在本征非磁的低维碳材料中引入高浓度的局域磁矩，并使之发生铁磁耦合而实现长程铁磁有序，是迫切需要解决的一个关键科学问题。大量理论研究表明，轻质元素（如氮、硫、硼等）的掺杂可在这类材料中有效引入局域磁矩。但由于这些元素只能掺杂在石墨层的空位位置处，加之空位浓度有限，使轻质元素的掺杂浓度较低。此外，通过精确控制掺杂浓度进而对其理化性质进行精确调控，对于开发其应用也具有重要意义。
该合作团队提出了一种低维碳材料中的轻质元素超掺杂技术，即首先对低维碳材料进行氟化，然后进行退氟处理，再进行相关轻质元素的原位掺杂。该技术不仅可以获得超高的掺杂浓度，而且还能精确控制其掺杂浓度。例如，将低维碳材料进行氟化后再在氨气中退火，实现了对零维石墨烯量子点、一维碳纳米管、二维石墨烯的超高浓度的氮掺杂。随后该研究团队还借助该超掺杂技术实现了低维碳材料中的硫和硼的超掺杂，验证了该技术的普适性。同时他们还发现，通过对低维碳材料的氟化度进行控制，可精确调控氮和硫等轻质元素的掺杂度。大量研究证明轻质元素掺杂在低维碳材料中的均匀性对掺杂材料的性能改进效果具有重要影响。该研究团队以氮超掺杂石墨烯为例，通过超高分辨球差校正透射电镜对其结构和成份进行了表征，发现氮掺杂分布具有高度均匀的特征。同时，从原子尺度上也证实了氟化退氟处理能够在石墨片的基面上制造高浓度的空位，进而有利于轻质元素的超掺杂。
最后，该合作团队还对氮超掺杂石墨烯的磁、超级电容和氧催化等特性进行了研究，发现氮超掺杂石墨烯均表现卓越。在磁性方面，氮的超掺杂引入了高浓度的局域自旋，有利于自旋间发生强的铁磁耦合，并实现了近室温的铁磁性。此超掺杂技术还有望应用在磷和硅等元素的超掺杂，并对更难以掺杂的低维碳材料薄膜和单纳米器件具有重要借鉴意义，有望进一步推动其在电子学、自旋电子学和储能等领域的基础研究和应用开发。
该项工作是汤怒江副教授/都有为院士团队近年来在低维碳材料磁性研究方向系列工作中的又一重要成果，相关前期成果分别发表在Appl. Phys. Lett. 102, 013111 (2013)、Sci. Rep. 3, 2566 (2013)和ACS Nano 7, 6729 (2013)等重要学术刊物上。该研究得到了科技部纳米重大研究计划、国家自然科学基金委、中科院等的资助。