Large-area graphene film doped with nitrogen is of great interest for a wide spectrum of nanoelectronics applications, such as field effect devices, super capacitors, and fuel cells among many others. Here, we report on the structural and electronic properties of nitrogen doped trilayer graphene on 4H-SiC (0001) grown under atmospheric pressure. The trilayer nature of the growth is evidenced by scanning transmission electron microscopy. X-ray photoelectron spectroscopy shows the incorporation of 1.2% of nitrogen distributed in pyrrolic-N, and pyridinic-N configurations as well as a graphitic-N contribution. This incorporation causes an increase in the D band on the Raman signature indicating that the nitrogen is creating defects. Ultraviolet photoelectron spectroscopy shows a decrease of the work function of 0.3 eV due to the N-type doping of the nitrogen atoms in the carbon lattice and the edge defects. A top gate field effect transistor device has been fabricated and exhibits carrier mobilities up to 1300 cm2/V s for holes and 850 cm2/V s for electrons at room temperature.

1.
K. S.
Novoselov
,
A. K.
Geim
,
S. V.
Morozov
,
D.
Jiang
,
M. I.
Katsnelson
,
I. V.
Grigorieva
,
S. V.
Dubonos
, and
A. A.
Firsov
,
Nature
438
,
197
(
2005
).
2.
Z.
Jiang
,
Y.
Zhang
,
Y.-W.
Tan
,
H. L.
Stormer
, and
P.
Kim
,
Solid State Commun.
143
,
14
(
2007
).
3.
L.
Britnell
,
R. V.
Gorbachev
,
R.
Jalil
,
B. D.
Belle
,
F.
Schedin
,
A.
Mishchenko
,
T.
Georgiou
,
M. I.
Katsnelson
,
L.
Eaves
,
S. V.
Morozov
,
N. M. R.
Peres
,
J.
Leist
,
A. K.
Geim
,
K. S.
Novoselov
, and
L. A.
Ponomarenko
,
Science
335
,
947
(
2012
).
4.
G.
Fiori
,
A.
Betti
,
S.
Bruzzone
, and
G.
Iannaccone
,
ACS Nano
6
,
2642
(
2012
).
5.
A. K.
Geim
and
I. V.
Grigorieva
,
Nature
499
,
419
(
2013
).
7.
U.
Maitra
,
H. S. S.
Ramakrishna Matte
,
P.
Kumar
, and
C. N. R.
Rao
,
Chim. Int. J. Chem.
66
,
941
(
2012
).
8.
K.
Yoo
,
Y.
Takei
,
B.
Hou
,
S.
Chiashi
,
K.
Matsumoto
, and
I.
Shimoyama
, in
IEEE 24th International Conference on Micro Electro Mechancial System (MEMS)
(
IEEE
,
2011
), pp.
99
102
.
9.
J. W.
Suk
,
A.
Kitt
,
C. W.
Magnuson
,
Y.
Hao
,
S.
Ahmed
,
J.
An
,
A. K.
Swan
,
B. B.
Goldberg
, and
R. S.
Ruoff
,
ACS Nano
5
,
6916
(
2011
).
10.
T.
Cui
,
R.
Lv
,
Z.-H.
Huang
,
H.
Zhu
,
Y.
Jia
,
S.
Chen
,
K.
Wang
,
D.
Wu
, and
F.
Kang
,
Nanoscale Res. Lett.
7
,
453
(
2012
).
11.
P.
Kumar
,
B.
Das
,
B.
Chitara
,
K. S.
Subrahmanyam
,
K.
Gopalakrishnan
,
S. B.
Krupanidhi
, and
C. N. R.
Rao
,
Macromol. Chem. Phys.
213
,
1146
(
2012
).
12.
P.
Kumar
,
K. S.
Subrahmanyam
, and
C. N. R.
Rao
,
Int. J. Nanosci.
10
,
559
(
2011
).
13.
P.
Kumar
,
K. S.
Subrahmanyam
, and
C. N. R.
Rao
,
Mater. Express
1
,
252
(
2011
).
14.
K. S.
Subrahmanyam
,
P.
Kumar
,
A.
Nag
, and
C. N. R.
Rao
,
Solid State Commun.
150
,
1774
(
2010
).
15.
P.
Kumar
,
L. S.
Panchakarla
, and
C. N. R.
Rao
,
Nanoscale
3
,
2127
(
2011
).
16.
A.
Singh
,
M. A.
Uddin
,
T.
Sudarshan
, and
G.
Koley
,
Small
10
,
1555
(
2014
).
17.
X.
An
,
F.
Liu
, and
S.
Kar
,
Carbon
57
,
329
(
2013
).
18.
A. N.
Grigorenko
,
M.
Polini
, and
K. S.
Novoselov
,
Nat. Photonics
6
,
749
(
2012
).
19.
C.
Coletti
,
S.
Forti
,
A.
Principi
,
K. V.
Emtsev
,
A. A.
Zakharov
,
K. M.
Daniels
,
B. K.
Daas
,
M. V. S.
Chandrashekhar
,
T.
Ouisse
,
D.
Chaussende
,
A. H.
MacDonald
,
M.
Polini
, and
U.
Starke
,
Phys. Rev. B
88
,
155439
(
2013
).
20.
Z.
Chen
,
P.
Darancet
,
L.
Wang
,
A. C.
Crowther
,
Y.
Gao
,
C. R.
Dean
,
T.
Taniguchi
,
K.
Watanabe
,
J.
Hone
,
C. A.
Marianetti
, and
L. E.
Brus
,
ACS Nano
8
,
2943
(
2014
).
21.
M. A.
Bratescu
and
N.
Saito
,
J. Phys. Chem. C
117
,
26804
(
2013
).
22.
S.
Das
,
P.
Sudhagar
,
E.
Ito
,
D.
Lee
,
S.
Nagarajan
,
S. Y.
Lee
,
Y. S.
Kang
, and
W.
Choi
,
J. Mater. Chem.
22
,
20490
(
2012
).
23.
A.
Eckmann
,
A.
Felten
,
A.
Mishchenko
,
L.
Britnell
,
R.
Krupke
,
K. S.
Novoselov
, and
C.
Casiraghi
,
Nano Lett.
12
,
3925
(
2012
).
24.
F.
Banhart
,
J.
Kotakoski
, and
A. V.
Krasheninnikov
,
ACS Nano
5
,
26
(
2011
).
25.
D.
Pontiroli
,
M.
Aramini
,
M.
Gaboardi
,
M.
Mazzani
,
S.
Sanna
,
F.
Caracciolo
,
P.
Carretta
,
C.
Cavallari
,
S.
Rols
,
R.
Tatti
,
L.
Aversa
,
R.
Verucchi
, and
M.
Riccò
,
J. Phys. Chem. C
118
,
7110
(
2014
).
26.
K.
Brenner
and
R.
Murali
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
063104
(
2010
).
27.
D.
Deng
,
X.
Pan
,
L.
Yu
,
Y.
Cui
,
Y.
Jiang
,
J.
Qi
,
W.-X.
Li
,
Q.
Fu
,
X.
Ma
,
Q.
Xue
,
G.
Sun
, and
X.
Bao
,
Chem. Mater.
23
,
1188
(
2011
).
28.
X.
Dong
,
D.
Fu
,
W.
Fang
,
Y.
Shi
,
P.
Chen
, and
L.-J.
Li
,
Small
5
,
1422
(
2009
).
29.
E.
Velez-Fort
,
C.
Mathieu
,
E.
Pallecchi
,
M.
Pigneur
,
M. G.
Silly
,
R.
Belkhou
,
M.
Marangolo
,
A.
Shukla
,
F.
Sirotti
, and
A.
Ouerghi
,
ACS Nano
6
,
10893
(
2012
).
30.
B.
Guo
,
Q.
Liu
,
E.
Chen
,
H.
Zhu
,
L.
Fang
, and
J. R.
Gong
,
Nano Lett.
10
,
4975
(
2010
).
31.
B.
Lalmi
,
J. C.
Girard
,
E.
Pallecchi
,
M.
Silly
,
C.
David
,
S.
Latil
,
F.
Sirotti
, and
A.
Ouerghi
,
Sci. Rep.
4
,
4066
(
2014
).
32.
A.
Ouerghi
,
M.
Ridene
,
C.
Mathieu
,
N.
Gogneau
, and
R.
Belkhou
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
253108
(
2013
).
33.
F.
Joucken
,
Y.
Tison
,
J.
Lagoute
,
J.
Dumont
,
D.
Cabosart
,
B.
Zheng
,
V.
Repain
,
C.
Chacon
,
Y.
Girard
,
A. R.
Botello-Méndez
,
S.
Rousset
,
R.
Sporken
,
J.-C.
Charlier
, and
L.
Henrard
,
Phys. Rev. B
85
,
161408(R)
(
2012
).
34.
E.
Vélez-Fort
,
E.
Pallecchi
,
M. G.
Silly
,
M.
Bahri
,
G.
Patriarche
,
A.
Shukla
,
F.
Sirotti
, and
A.
Ouerghi
,
Nano Res.
7
,
835
(
2014
).
35.
S.-M.
Park
,
S.-N.
Yang
,
K.-J.
Kim
,
K.-H.
No
, and
H.-I.
Lee
,
Bull. Korean Chem. Soc.
31
,
2809
(
2010
).
36.
E.
Pallecchi
,
M.
Ridene
,
D.
Kazazis
,
C.
Mathieu
,
F.
Schopfer
,
W.
Poirier
,
D.
Mailly
, and
A.
Ouerghi
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
253109
(
2012
).
37.
E.
Pallecchi
,
F.
Lafont
,
V.
Cavaliere
,
F.
Schopfer
,
D.
Mailly
,
W.
Poirier
, and
A.
Ouerghi
,
Sci. Rep.
4
,
4558
(
2014
).
38.
F.
Schwierz
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
487
(
2010
).
39.
L.
Liao
,
J.
Bai
,
Y.-C.
Lin
,
Y.
Qu
,
Y.
Huang
, and
X.
Duan
,
Adv. Mater.
22
,
1941
(
2010
).
You do not currently have access to this content.