中国青年学者一作兼通讯,二维材料,再登Nature!
米测 MeLab 纳米人 2024-07-01

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研究背景
石墨烯的基面可以作为选择性屏障,对质子透过具有良好的选择性,但对其他离子和气体则不透过。这种特性使石墨烯在膜、催化和同位素分离等应用中显示出巨大潜力。然而,质子传输和氢化过程的能量障碍使其实际应用受到限制。常用的改性方法虽然可以加速质子传输,但往往会影响石墨烯的其他重要性质,如离子选择性或机械稳定性。另外,在电化学中,电极电荷密度和垂直于电极-电解质界面的电场,与通过施加的电位和实验条件(如离子浓度或溶剂极化性)基本上是相互关联的。对于石墨烯-电解质界面,质子传输与石墨烯氢化过程是两个复杂的相关联的电化学过程,难以通过调节单一门控电位等进行选择性调控。而在二维材料的电子输运研究表明,由于单独的门控电位可以叠加的特性,通过使用双门控可以解耦和电场强度和电荷密度。在二维电子输运器件中,独立控制这两个变量,可以用于调控二维晶体的能带结构,例如淬灭二维半导体的能隙或精确控制耦合铁电性和超导性等。

研究内容
为了解决上述难题,英国曼彻斯特大学国家石墨烯中心仝金程博士、付杨明博士和M. Lozada-Hidalgo教授等展示了在电解质双门控石墨烯器件中,通过独立控制超强电场强度(E,约1 V/nm)和超高载流子密度(n,约1×10^14 cm^-2),实现了质子传输与氢化两个电化学过程的解耦及选择性调控,从而显著加速质子传输。进而,通过对面内电子传输与面外质子传输的精准调控,他们展示了在同一个器件的同一功能层中,首次同时实现了逻辑运算与记忆存储着两个计算机的基本功能,为石墨烯基器件的开发与应用提供了新的方向。
   
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图1:双门控石墨烯器件中质子传输和石墨烯氢化的选择性控制。

在该器件中使用了机械剥离的悬浮石墨烯膜,在其两侧涂覆非水质子导电电解质,通过上下两组门控电压独立控制石墨烯-电解质界面的电位。通过双门控技术解耦电场强度和电荷密度,并测试在不同电场和载流子密度条件下质子传输和氢化过程。图b代表了在单一门控的高电位条件下,快速的质子传输与氢化过程是耦合的。图c代表了在双门控条件下,在超强电场强度和低的电荷密度下,质子传输被加速,而氢化过程并未发生。图d代表了在双门控条件下,在电场强度为零而电荷密度非常高时,质子传输被禁止,而氢化过程却可以发生。 

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图2. 双门控石墨烯中,独立控制电场E和电荷密度n对质子和电子传输的影响图谱

进一步地,研究人员以电场强度和电荷密度为变量,获得了相应的质子传输及电子传输的图谱(图2a、图2b)。从而厘清了不同电场强度及不同电荷密度与质子传输以及石墨烯氢化的定量化关系。  
 
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图3. 双门控石墨烯中质子传输和氢化的稳健精确切换,实现了逻辑和存储双功能的器件

随后,研究人员展示了他们的石墨烯器件能够同时实现导电和绝缘的电子状态作为存储器,并利用质子电流执行类似计算机的逻辑操作。他们通过构建一个实现异或(XOR)操作的设备来证明这一功能,即当输入中值为1的个数为奇数时输出1。实现这一操作的步骤包括调节顶部和底部电极的电压,使得石墨烯在不同的门电压下可以切换导电或绝缘状态,从而产生强质子电流并输出相应的逻辑结果,而不影响预设的电子存储状态。这项应用展示是里程碑式的,因为它将两个设备的功能整合到一个设备中,消除了需要其他电路来连接它们的需求。    

展望
双门控石墨烯器件通过独立控制电场强度和电荷密度,实现了质子传输和氢化过程的精确控制。这一技术不仅在质子传导膜、催化和同位素分离等领域具有重要应用,还为二维电化学材料及过程的研究提供了新的方法和思路。未来,类似的二维晶体设备可能会选择性地驱动其他耦合界面过程,进一步拓展电化学研究的参数空间。而该研究也为离子、电子共同参与的逻辑和存储设备的开发提供了新的方向。

参考文献:
Tong, J., Fu, Y., Domaretskiy, D. et al. Control of proton transport and hydrogenation in double-gated graphene. Nature 630, 619–624 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07435-8

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