河南大學程綱團隊：單層石墨烯的摩擦電氧離子可逆浮柵電晶體

近期，河南大學程綱教授課題組在基於摩擦納米發電產生的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，全文在國際著名刊物Nano Energy (IF=16.602, JCR一區)上發表。

單層石墨烯由於其優異的性質被廣泛應用於柔性電子器件、靈敏傳感器、超級電容器等諸多領域。通過使用表面吸附物產生的浮柵電壓調控石墨烯的費米能級是開發新型場效應電晶體的重要策略。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，對於石墨烯的電學和磁學特性的影響微乎其微。這是由於，O2作為電子受體，其最低的未佔據分子軌道（LUMO）高於石墨烯的費米能級，不能直接從石墨烯的價帶獲取電子形成O2-離子。

在本文中，基於摩擦電等離子的氣體離子柵技術，改變O2分子的吸附路徑，從而實現O2在石墨烯表面快速的化學吸附，報導了使用O2-作為可逆浮動離子門的石墨烯電晶體。

在具體實驗中，O2分子首先被摩擦電等離子體技術活化為O2-，隨即O2-吸附在石墨烯上。O2-作為負浮柵，可向下移動費米能級並產生p型摻雜石墨烯。可以通過加熱消除O2-的浮柵作用，並通過擬合實驗數據得出O2-的解析勢壘。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。本文提出的基於單層石墨烯的O2浮柵技術可以在大氣中進行，不需要昂貴的設備，這在開發基於石墨烯的新型電子和光電器件方面具有潛在的應用。

論文要點：1、通過引入摩擦電微等離子體激活吸附路徑，報導了使用O2-作為可逆浮動離子柵的石墨烯電晶體；2、吸附O2-作為一個負浮柵，向下移動費米能級並產生p型石墨烯摻雜；3、O2-的浮柵−是可逆的,可以被加熱和解吸障礙計算198 兆電子伏；4、從頭開始仿真表明,LUMO水平降至0.85 eV低於石墨烯的費米能級,它克服了障礙與微等離子體吸附路徑；5、該技術在開發基於石墨烯的新型電子和光電子器件方面具有潛在的應用前景。

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。

來源：河南大學、新材料資訊

文章連結：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105229