对石墨烯-半导体界面的调控并保持石墨烯材料的性能是实现石墨烯在电子学、光电器件、生物医药、光电化学上的重点问题。瑞典林雪平大学Sun Jianwu等发现在立方相的SiC上外延生长石墨烯进而构建原子级的Schottky异质结能解决这个问题。通过调节石墨烯的层数，异质结中能够产生内建电场，这种结构对研究界面附近的电子结构和电荷传输机理是个非常好的系统。这种原子级Schottky异质结在低电压的光电系统中展现了光催化制备燃料能力。单层石墨烯材料具有非常高的导电性，同时保护了SiC界面使其免于光腐蚀，并且能够将载流子转移到共催化剂上。

本文要点：

（1）分别在SiC基底上生长不同层数的石墨烯（1~4层），通过LEEM（low-energy electron microscopy）方法给出了不同的晶体衍射点变化和层数的关系，通过电子反射率曲线（electron reflectivity curves）得到石墨烯的层数。单层、双层、三层、四层石墨烯在SiC上的覆盖率分别为80 %，91 %，87 %，70 %。通过Raman方法验证了不同层的石墨烯在SiC基底上。

         通过密度泛函理论对石墨烯和SiC界面上的电子性能进行研究，SiC上的缓冲层通过π电子和基底发生作用，因此其不能展现标准的石墨烯性质。界面上缓冲层和SiC作用产生了电荷的聚集和降低区域，并产生了内建电场，通过这种作用SiC的能带产生了变化。此外，这种内建电场对第1和第2层石墨烯有影响，并且SiC会通过这种作用向石墨烯转移电子。当界面上没有缓冲层的时候，这种作用无法发生。SiC和第4层石墨烯基本上没有电荷传递作用。通过UPS对不同层数石墨烯对功函的影响进行了测试。单层、双层、四层石墨烯界面体系的功函分别为4.13 eV，4.27 eV，4.48 eV。四层石墨烯界面的功函和本征石墨烯的功函类似（4.52 eV）。

（2）将石墨烯/SiC复合电极作为光阳极，Cu电极为阴极，通过Nafion膜组成电池系统，测试水氧化反应和CO₂还原反应。发现单层石墨烯电极有最好的性能，三层石墨烯的性能次之，双层和四层石墨烯电极的性能最差。通过修饰FeOOH助催化剂，实现了催化性能提升。单层石墨烯修饰FeOOH的电极有最高的催化活性。FeOOH修饰的单层石墨烯/SiC电极体系在250 min能产生~35 μmol O₂，并且法拉第效率接近100 %。

          通过¹³CO₂标记法对反应生成物甲烷进行验证。FeOOH修饰的单层石墨烯/SiC体系的CO₂还原为CH₄的选择性为82.8 %。

参考文献

Hao Li; Yuchen Shi; Huan Shang; Weimin Wang; Jun Lu; Alexei A. Zakharov; Lars Hultman; Roger I. G. Uhrberg; Mikael Syväjärvi; Rositsa Yakimova; Lizhi Zhang; Jianwu Sun*

Atomic-Scale Tuning of Graphene/Cubic SiC Schottky Junction for Stable Low-Bias Photoelectrochemical Solar-to-Fuel Conversion

ACS Nano 2020, DOI: 10.1021/acsnano.0c00986

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.0c00986