前言
自2004年石墨烯诞生以来，它便广受关注，成为了材料科学领域的一颗璀璨明星。在短短的6年时间里，它就获得了诺贝尔奖，足以见其卓越的性能和潜力。2004年，英国科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地从石墨中分离出了单层的石墨烯，这一发现震惊了全世界。随后，他们因为这一伟大的成果而共同获得了2010年的诺贝尔物理学奖。然而，仅仅依靠这一发现，石墨烯的价值并未得到充分的发挥。随着科学技术的不断发展，人们开始研究如何将石墨烯应用于实际问题中。在这一过程中，石墨烯的应用范围得到了不断的拓展。在电子产业方面，石墨烯可以作为一种高效的导体材料，用于制造更快、更轻、更薄的电池和显示器等电子设备。此外，石墨烯还可以作为散热材料，用于提高电子设备的运行效率。在新能源领域，石墨烯被认为是一种理想的太阳能电池材料。由于其出色的光电转换效率和可塑性，石墨烯有望成为未来太阳能电池的核心材料。
石墨烯是一种具有独特物理和化学性质的纳米材料，作为碳的同素异形体，它由单层的碳原子构成，这些碳原子以六边形的方式排列在二维平面上。其独特的二维六角型晶格结构，由碳原子以sp2杂化方式连接而成。这种结构使得石墨烯拥有极高的电子迁移率、导热性和机械强度等特性，使得石墨烯在电子学、能源、催化等领域展现出巨大的应用潜力，详细的性能特点如下：
(1)基本性质：石墨烯的每个碳原子通过sp²杂化与周围三个碳原子形成强共价键，这种结构赋予了石墨烯极高的晶体稳定性。石墨烯的厚度只有一个碳原子，约0.34纳米，是世上最薄的二维材料。
(2)电子性能：石墨烯中的电子可以以接近光速的速度移动，且在传输过程中几乎不受阻力，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特，其电子行为类似于无质量的狄拉克费米子，这一特性为研究相对论量子电动力学提供了实验平台。
(3)热性能：石墨烯的导热系数非常高，超过了碳纳米管和金刚石，使其在热管理领域具有潜在应用。石墨烯在室温下的热导率可达到惊人的4000 W/mK至5000 W/mK，远高于大多数金属。
(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非常出众，被认为是制造超轻防弹衣的理想材料。
(5)光学性能：石墨烯几乎完全透明，只吸收2.3%的可见光，结合其良好的导电性，适合用于制作透明触控屏幕和太阳能电池。
近日， 的研究再次迎来了重大突破。在权威科学期刊《Nature》上发表了两篇关于石墨烯的研究论文。其中一篇题为“Control of proton transport and hydrogenation in double-gated graphene”(本文重点介绍)，另一篇为“Tunable superconductivity in electron- and hole-doped Bernal bilayer graphene”。
全文速览
石墨烯的基面可以作为选择性屏障，对质子透过具有良好的选择性，但对其他离子和气体则不透过。这种特性使石墨烯在膜、催化和同位素分离等应用中显示出巨大潜力。
在石墨烯上，质子可以通过化学吸附的方式被捕获，并触发导体到绝缘体的转变过程，这一现象在石墨烯基电子器件的研发中得到了广泛研究。但是质子传输和氢化过程的能量障碍使其实际应用受到限制。常用的改性方法虽然可以加速质子传输，但往往会影响石墨烯的其他重要性质，如离子选择性或机械稳定性。为了克服这一课题，英国曼彻斯特大学国家石墨烯中心的研究人员提出了多种策略，包括引入空位、结合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。
最新的研究成果表明，通过独立控制电场强度(E，约1 V/nm)和载流子密度(n，约1×1014 cm-2)，利用双门控石墨烯可以实现对电场和电荷载流子密度的独立控制，从而达到加快质子传输速率的目的，同时独立控制对质子传输过程和晶格加氢反应。首次同时实现了逻辑运算与记忆存储这两个计算机的基本功能，为石墨烯基器件的开发与应用提供了新的方向。
正文内容
研究团队通过采纳双栅调控方法，揭示了利用电场强度和电荷密度的独立控制，能够在石墨烯中实现对两个已知电化学过程的选择性控制，这一发现是其他策略未能实现的。
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。通过设置上下两组门控电压，他们独立地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件下对质子传输和氢化过程进行了测试。
图1b展示了在单一门控的高电位条件下快速质子传输与氢化过程的耦合现象。而图1c则显示了在双门控条件下，当处于超强电场强度和低电荷密度时，质子传输会被加速，但氢化过程并未发生。图1d进一步展示了在电场强度为零且电荷密度非常高的双门控条件下，质子传输被阻断，而氢化过程却得以发生。
图1. 双栅极石墨烯器件中质子传输和氢化的选择性控制
研究团队通过将电场强度和电荷密度作为变量，成功绘制了质子传输和电子传输的图谱(图2a、图2b)。这一成果使得团队能够精确区分不同电场强度和电荷密度条件下，质子传输和石墨烯氢化过程的定量关系。
图2. 双栅极石墨烯中独立控制E和n的质子和电子输运
研究团队随后展示了他们的石墨烯器件能够作为存储器，可同时在导电和绝缘的电子状态之间切换，并利用质子电流来执行类似计算机的逻辑操作。如图3所示，他们通过构建一个能够实现异或(XOR)逻辑操作的设备来验证这一功能。具体来说，当输入值中1的个数为奇数时，设备将输出1。这一逻辑操作的实现涉及调整顶部和底部电极的电压，使得石墨烯在不同的门电压下可以在导电和绝缘状态之间切换，从而产生强质子电流并输出相应的逻辑结果，同时不干扰已经设定的电子存储状态。这一应用展示是里程碑式的，因为它将两种设备的功能集成到一个器件中，且无需额外的电路来连接它们。
图3. 双门石墨烯中质子传输和氢化的稳健和精确切换实现了基于质子的逻辑和存储设备
本研究的亮点在于：双门控石墨烯器件能够精确地独立调节电场强度和电荷密度，从而实现对质子传输和氢化过程的精准操控。更重要的是，揭示了双门控2D晶体能够在电极-电解质界面中实现映射过程，而这在目前没有双门控的情况下是无法实现的。这一创新技术在多个领域展现出广泛的应用潜力，包括质子传导膜、催化过程以及同位素分离等。此外，它还为二维电化学材料及其相关过程的研究开辟了新的途径和方法。
未来，基于类似原理的二维晶体设备有望实现对其他耦合界面过程的选择性驱动，进一步拓宽电化学研究的参数范围。同时，该研究成果也为涉及离子和电子相互作用的逻辑运算和存储设备的设计与开发指明了新的方向。
论文链接
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07435-8
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