河南大學程綱團隊Nano Energy: 單層石墨烯的摩擦電氧離子可逆浮柵晶體管

引言

單層石墨烯由于其優異的性質被廣泛應用于柔性電子器件、靈敏傳感器、超級電容器等諸多領域。使用表面吸附物產生的浮柵電壓調控石墨烯載流子傳輸特性是開發新型場效應晶體管的重要策略。但是，在之前的大量研究中，O₂在單層石墨烯的表面無法形成有效化學吸附，對于石墨烯的電學和磁學特性的影響微乎其微。這是由于，O₂作為電子受體，其最低的未占據分子軌道（LUMO）高于石墨烯的費米能級，不能直接從石墨烯的價帶獲取電子形成O₂^-離子。因此，開發一種簡單而有效的方式來實現O₂在石墨烯表面的化學吸附，進而實現大范圍調控石墨烯的費米能級是一個具有挑戰性的課題。

成果簡介

近日，河南大學特種功能材料教育部重點實驗室程綱教授課題組在基于摩擦納米發電產生的微等離子調控單層石墨烯費米能級方面取得新進展，相關成果以“The Triboelectric Microplasma Transistor of Monolayer Graphene with a Reversible Oxygen Ion Floating Gate”為題，全文在在國際著名刊物Nano Energy (IF=16.602, JCR一區)上發表。

在本文中，基于摩擦電微等離子的表面離子柵技術，改變了O₂分子在石墨烯表面的吸附路徑，從而實現O₂在石墨烯表面的化學吸附，報道了使用O₂^-作為可逆浮動離子門的石墨烯晶體管。實現了約為3.45×10¹² cm^-2的O₂^-在器件表面的吸附，且吸附的O₂^-作為負浮柵使得單層石墨烯費米能級下降并產生p型摻雜；通過對整個器件加熱，可以消除O₂^-在器件表面的吸附，并通過相關實驗數據擬合后，得到O₂^-從器件表面的解吸勢壘為198 meV。 利用第一性原理計算可知：O₂^-的LUMO能級降低至石墨烯的費米能級以下0.85 eV，從而克服了最初的吸附勢壘。

本文提出的基于單層石墨烯的O₂浮柵技術可以在大氣中進行，不需要昂貴的設備，這在開發基于石墨烯的新型電子和光電器件方面具有潛在的應用。

特種功能材料重點實驗室博士研究生趙磊、郭俊猛博士、劉亮亮博士為論文的共同第一作者，程綱教授和杜祖亮教授是本文的共同通訊作者。本工作得到國家自然科學基金委、河南省科技廳和河南大學的經費支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105229

圖文導讀

圖1 （a）基于摩擦微等離子體的SIG調控單層石墨烯器件的示意圖；（b）摩擦納米發電機輸出端經過整流橋后，其電學性能隨外接負載的變化情況；插圖是當鎢針尖與石墨烯器件之間的距離為1.5 ± 0.05 mm時，微等離子體的脈沖電流曲線；（c）微等離子體處理的NBT溶液前后的紫外-可見吸收光譜圖；（d）器件在SIG調制下，單次響應的I-T特性曲線，其中=2 V，插圖是石墨烯器件的SEM圖像；（e）是器件經過SIG調控前后的輸出特性曲線；（f）器件經過SIG調控前后及加熱恢復的石墨烯晶體管的移特性曲線。

圖2 （a）器件單次SIG調控后在不同溫度下的時間-電流特性曲線。（b）解吸速率（以對數標度）與溫度的倒數示意圖。（c）和（d）器件通過單次SIG調控后在不同溫度下退火恢復到室溫的轉移特性曲線和電流?時間特性曲線。

圖3熱調制下的可逆SIG調制的圖。（a）石墨烯器件的初始狀態;（b）單次SIG調控后O₂^-吸附在石墨烯表面上;（c）將整個裝置加熱，O₂^-從石墨烯的表面解吸附。

圖4 （a）和（b）是 O₂ 和O₂^-吸附單層石墨烯的P軌道的態密度圖；（c）和（d）是通過密度泛函理論計算出的O₂和O₂^-吸附石墨烯表面的示意圖；（e）O₂和O₂^-的LUMO分子軌道相對于石墨烯Femi能級的相對位置示意圖。

通訊作者簡介

程綱，男，1978年生，博士，教授，博士生導師，國家優秀青年基金獲得者，河南省中原千人科技創新領軍人才，河南省高校創新團隊帶頭人，河南省科技創新杰出青年，河南省學術技術帶頭人。2003年起至今，在河南大學特種功能材料教育部重點實驗室工作，2013-2016年在佐治亞理工學院做訪問學者，從事納米結構與自驅動光電器件的研究。在ACS Nano、Adv. Mater.、Nano Energy、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem.、Appl. Phys. Lett.等期刊發表SCI論文50余篇。主持國家自然科學基金4項，獲得河南省科技進步二等獎2項。主要研究方向有：納米結構與光電器件，納米發電機，自驅動傳感器等。

Email: chenggang@henu.edu.cn

本文由作者團隊供稿。