河南大学程纲团队Nano Energy: 单层石墨烯的摩擦电氧离子可逆浮栅晶体管

引言

单层石墨烯由于其优异的性质被广泛应用于柔性电子器件、灵敏传感器、超级电容器等诸多领域。使用表面吸附物产生的浮栅电压调控石墨烯载流子传输特性是开发新型场效应晶体管的重要策略。但是，在之前的大量研究中，O₂在单层石墨烯的表面无法形成有效化学吸附，对于石墨烯的电学和磁学特性的影响微乎其微。这是由于，O₂作为电子受体，其最低的未占据分子轨道（LUMO）高于石墨烯的费米能级，不能直接从石墨烯的价带获取电子形成O₂^-离子。因此，开发一种简单而有效的方式来实现O₂在石墨烯表面的化学吸附，进而实现大范围调控石墨烯的费米能级是一个具有挑战性的课题。

成果简介

近日，河南大学特种功能材料教育部重点实验室程纲教授课题组在基于摩擦纳米发电产生的微等离子调控单层石墨烯费米能级方面取得新进展，相关成果以“The Triboelectric Microplasma Transistor of Monolayer Graphene with a Reversible Oxygen Ion Floating Gate”为题，全文在在国际著名刊物Nano Energy (IF=16.602, JCR一区)上发表。

在本文中，基于摩擦电微等离子的表面离子栅技术，改变了O₂分子在石墨烯表面的吸附路径，从而实现O₂在石墨烯表面的化学吸附，报道了使用O₂^-作为可逆浮动离子门的石墨烯晶体管。实现了约为3.45×10¹² cm^-2的O₂^-在器件表面的吸附，且吸附的O₂^-作为负浮栅使得单层石墨烯费米能级下降并产生p型掺杂；通过对整个器件加热，可以消除O₂^-在器件表面的吸附，并通过相关实验数据拟合后，得到O₂^-从器件表面的解吸势垒为198 meV。 利用第一性原理计算可知：O₂^-的LUMO能级降低至石墨烯的费米能级以下0.85 eV，从而克服了最初的吸附势垒。

本文提出的基于单层石墨烯的O₂浮栅技术可以在大气中进行，不需要昂贵的设备，这在开发基于石墨烯的新型电子和光电器件方面具有潜在的应用。

特种功能材料重点实验室博士研究生赵磊、郭俊猛博士、刘亮亮博士为论文的共同第一作者，程纲教授和杜祖亮教授是本文的共同通讯作者。本工作得到国家自然科学基金委、河南省科技厅和河南大学的经费支持。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105229

图文导读

图1 （a）基于摩擦微等离子体的SIG调控单层石墨烯器件的示意图；（b）摩擦纳米发电机输出端经过整流桥后，其电学性能随外接负载的变化情况；插图是当钨针尖与石墨烯器件之间的距离为1.5 ± 0.05 mm时，微等离子体的脉冲电流曲线；（c）微等离子体处理的NBT溶液前后的紫外-可见吸收光谱图；（d）器件在SIG调制下，单次响应的I-T特性曲线，其中=2 V，插图是石墨烯器件的SEM图像；（e）是器件经过SIG调控前后的输出特性曲线；（f）器件经过SIG调控前后及加热恢复的石墨烯晶体管的移特性曲线。

图2 （a）器件单次SIG调控后在不同温度下的时间-电流特性曲线。（b）解吸速率（以对数标度）与温度的倒数示意图。（c）和（d）器件通过单次SIG调控后在不同温度下退火恢复到室温的转移特性曲线和电流−时间特性曲线。

图3热调制下的可逆SIG调制的图。（a）石墨烯器件的初始状态;（b）单次SIG调控后O₂^-吸附在石墨烯表面上;（c）将整个装置加热，O₂^-从石墨烯的表面解吸附。

图4 （a）和（b）是 O₂ 和O₂^-吸附单层石墨烯的P轨道的态密度图；（c）和（d）是通过密度泛函理论计算出的O₂和O₂^-吸附石墨烯表面的示意图；（e）O₂和O₂^-的LUMO分子轨道相对于石墨烯Femi能级的相对位置示意图。

通讯作者简介

程纲，男，1978年生，博士，教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者，河南省中原千人科技创新领军人才，河南省高校创新团队带头人，河南省科技创新杰出青年，河南省学术技术带头人。2003年起至今，在河南大学特种功能材料教育部重点实验室工作，2013-2016年在佐治亚理工学院做访问学者，从事纳米结构与自驱动光电器件的研究。在ACS Nano、Adv. Mater.、Nano Energy、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem.、Appl. Phys. Lett.等期刊发表SCI论文50余篇。主持国家自然科学基金4项，获得河南省科技进步二等奖2项。主要研究方向有：纳米结构与光电器件，纳米发电机，自驱动传感器等。

Email: chenggang@henu.edu.cn

本文由作者团队供稿。