最新Nature：雙門控石墨烯中質子傳輸和氫化的精確控制

一、【科學背景】

石墨烯在環境條件下所有原子和分子都是無法滲透的，但熱質子在垂直于其基面方向上是可滲透的。之前的研究認為需要晶格中的針孔才能實現質子傳輸，但最新研究表明，原始晶格對質子是可滲透的，而晶格中的應變等缺陷會降低傳輸的能壘。質子可以化學吸附在石墨烯上并對其進行氫化，這個過程會導致石墨烯的導體-絕緣體轉變。質子傳輸與石墨烯氫化過程是兩個復雜的相關聯的電化學過程。常用的改性方法可以加速質子傳輸，但是會對石墨烯的其他性質產生影響。因此，如何在不影響其他性質的情況下控制氫化過程，以及避免氫化對石墨烯性能的負面影響也是一個關鍵問題。

二、【創新成果】

為了解決這一問題，英國曼徹斯特大學的M. Lozada-Hidalgo教授和J. Tong博士在電解質雙門控石墨烯器件中通過獨立控制電場和載流子密度，實現對質子傳輸和氫化過程的精確控制，從而加速質子傳輸并實現對這些過程的選擇性驅動。這為基于質子的邏輯和存儲石墨烯器件提供了可能性。首次同時實現了邏輯運算與記憶存儲這兩個計算機的基本功能，為基于石墨烯的器件開發與應用提供了新的方向。相關成果“Control of proton transport and hydrogenation in double-gated graphene”發表在Nature。

圖1雙門控石墨烯器件中的質子傳輸和氫化的選擇性控制 ? 2024 Springer Nature Limited

圖2雙門控石墨烯中獨立控制電場E和電荷密度n對質子和電子輸運的影響 ? 2024 Springer Nature Limited

圖3雙門控石墨烯中質子傳輸和氫化的穩健而精確的切換，實現了基于質子的邏輯和存儲器件 ? 2024 Springer Nature Limited

三、【科學啟迪】

在這項工作中，雙門控石墨烯器件通過對E和n的獨立控制實現了精確的質子輸運和氫化控制。在雙門控石墨烯中，質子電流可以用于執行邏輯操作，為二維電化學材料的研究提供了新的方法和思路。這項工作報告的質子輸運和氫化的選擇性加速表明，類似的二維晶體器件可能有選擇性地驅動其他耦合的界面過程。從根本上講，這項工作擴展了研究二維晶體中電化學過程的參數空間。

原文詳情：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