弁言

石墨烯自2004降生以来，便广受柔顺，成为了材料科学规模的一颗妍丽明星，6年时分即获诺贝尔奖。石墨烯是一种具有独到物理和化学性质的纳米材料，手脚碳的同素异形骸，它由单层的碳原子组成，这些碳原子以六边形的口头摆设在二维平面上。其独到的二维六角型晶格结构，由碳原子以sp2杂化口头阿谀而成，领有极高的电子迁徙率、导热性和机械强度等性情，使得石墨烯在电子学、能源、催化等规模展现出高大的应用后劲，详备的性能性情如下：

（1）基人道质：的每个碳原子通过sp²杂化与周围三个碳原子酿成强共价键，这种结构赋予了石墨烯极高的晶体褂讪性。石墨烯的厚度唯有一个碳原子，约0.34纳米，是世上最薄的二维材料。

（2）电子性能：石墨烯中的电子不错以接近光速的速率挪动，且在传输经过中简直不受阻力，这使得石墨烯成为已知电阻最小的材料之一。石墨烯的电子能带结构独到，其电子举止访佛于无质料的狄拉克费米子，这一性情为酌量相对论量子电能源学提供了实验平台。

（3）热性能：石墨烯的导热统统十分高，向上了碳纳米管和金刚石，使其在热处理规模具有潜在应用。石墨烯在室温下的热导率可达到惊东说念主的4000 W/mK至5000 W/mK，远高于大大量金属。

（4）力学性能：石墨烯的强度极高，其抗拉强度和弹性模量分别可达130 GPa和1 TPa，比钢铁的强度还要高百倍以上。尽管极薄，石墨烯的硬度和韧性却十分出众，被以为是制造超轻防弹衣的理思材料。

（5）光学性能：石墨烯简直皆备透明，只招揽2.3%的可见光，集中其邃密的导电性，色狼窝影院适宜用于制作透明触控屏幕和太阳能电板。

近日，石墨烯的酌量再次迎来了首要松弛。在巨擘科学期刊《Nature》上发表了两篇对于石墨烯的酌量论文。其中一篇题为“Control of proton transport and hydrogenation in double-gated graphene”（本文重心先容），另一篇为“Tunable superconductivity in electron- and hole-doped Bernal bilayer graphene”。

全文速览

石墨烯的基脚不错手脚采用性障蔽，对证子透过具有邃密的采用性，但对其他离子温文体则不透过。这种性情使石墨烯在膜、催化和同位素分离等应用中清爽出高大后劲。

在石墨烯上，质子不错通过化学吸附的口头被拿获，并触发导体到绝缘体的转机经过，这一表象在石墨烯基电子器件的研发中得到了平淡酌量。然而质子传输和氢化经过的能量拒绝使其骨子应用受到摈弃。常用的改性模范诚然不错加速质子传输，但时时会影响石墨烯的其他贫乏性质，如离子采用性或机械褂讪性。为了克服这一课题，英国曼彻斯特大学国度石墨烯中心的酌量东说念主员提倡了多种政策，包括引入空位、集中催化性金属或者对晶格进行化学官能化以促进质子的快速传输。

最新的酌量效果标明，通过零丁适度电场强度（E，约1 V/nm）和载流子密度（n，约1×1014cm-2），诓骗双门控石墨烯不错闭幕对电场和电荷载流子密度的零丁适度，从而达到加速质子传输速率的决策，同期零丁适度对证子传输经过和晶格加氢反映。初度同期闭幕了逻辑运算与哀悼存储这两个谋略机的基本功能，为石墨烯基器件的开辟与应用提供了新的标的。

正文内容

酌量团队通过接纳双栅调控模范，揭示了诓骗电场强度和电荷密度的零丁适度，有时在石墨烯中闭幕对两个已知电化学经过的采用性适度，这一发现是其他政策未能闭幕的。

在他们的器件中，使用机械剥离法制得的悬浮石墨烯膜，并在膜两侧涂覆了非水质子导电电解质。通过建立高下两组门控电压，他们独随即调控了石墨烯与电解质界面处的电位，从而解耦电场强度与电荷密度，并在不同的电场和载流子密度条款下对证子传输和氢化经过进行了测试。

图1b展示了在单一门控的高电位条款下快速质子传输与氢化经过的耦合表象。而图1c则清爽了在双门控条款下，当处于超强电场强度和低电荷密度时，质子传输会被加速，但氢化经过并未发生。图1d进一步展示了在电场强度为零且电荷密度十分高的双门控条款下，质子传输被阻断，而氢化经过却得以发生。

图1. 双栅极石墨烯器件中质子传输和氢化的采用性适度

酌量团队通过将电场强度和电荷密度手脚变量，到手画图了质子传输和电子传输的图谱（图 2a、图2b）。这一效果使得团队有时精确折柳不同电场强度和电荷密度条款下，质子传输和石墨烯氢化经过的定量关联。

图2. 双栅极石墨烯中零丁适度E和n的质子和电子输运

酌量团队随后展示了他们的石墨烯器件有时手脚存储器，可同期在导电和绝缘的电子气象之间切换，并诓骗质子电流来实践访佛谋略机的逻辑操作。如图 3所示，他们通过构建一个有时闭幕异或（XOR）逻辑操作简直立来考证这一功能。具体来说，当输入值中1的个数为奇数时，确立将输出1。这一逻辑操作的闭幕触及调养顶部和底部电极的电压，使得石墨烯在不同的门电压下不错在导电和绝缘气象之间切换，从而产生强质子电流并输出相应的逻辑闭幕，同期不阻难如故设定的电子存储气象。这一应用展示是里程碑式的，因为它将两种确立的功能集成到一个器件中，且无需荒芜的电路来阿谀它们。

图3. 双门石墨烯中质子传输和氢化的隆重和精信得过换闭幕了基于质子的逻辑和存储确立

回顾

本酌量的亮点在于：双门控石墨烯器件有时精确地零丁调养电场强度和电荷密度，从而闭幕对证子传输和氢化经过的精确操控。更贫乏的是，揭示了双门控2D晶体有时在电极-电解质界面中闭幕映射经过，而这在现在莫得双门控的情况下是无法闭幕的。这一转变本事在多个规模展现出平淡的应用后劲，包括质子传导膜、催化经过以及同位素分离等。此外，它还为二维电化学材料偏激关联经过的酌量开辟了新的路线和模范。

异日，基于访佛旨趣的二维晶体确立有望闭幕对其他耦合界面经过的采用性运转，进一步拓宽电化学酌量的参数领域。同期，该酌量效果也为触及离子和电子互相作用的逻辑运算和存储确立的研究与开辟指明了新的标的。

论文相连

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07435-8

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。