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绪论
石墨烯自2004出生以来，便广受温雅，成为了材料科学范围的一颗绚烂明星，6年时代即获诺贝尔奖。石墨烯是一种具有私有物理和化学性质的纳米材料，动作碳的同素异形骸，它由单层的碳原子组成，这些碳原子以六边形的方法罗列在二维平面上。其私有的二维六角型晶格结构，由碳原子以sp2杂化方法诱导而成，领有极高的电子转移率、导热性和机械强度等秉性，使得石墨烯在电子学、能源、催化等范围展现出雄伟的应用后劲，详备的性能特色如下：
（1）基人性质：的每个碳原子通过sp²杂化与周围三个碳原子造成强共价键，这种结构赋予了石墨烯极高的晶体褂讪性。石墨烯的厚度只须一个碳原子，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移动，且在传输历程中果然不受阻力，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私有，其电子行为一样于无质料的狄拉克费米子，这一秉性为商讨相对论量子电能源学提供了践诺平台。
（3）热性能：石墨烯的导热整个额外高，跨越了碳纳米管和金刚石，使其在热解决范围具有潜在应用。石墨烯在室温下的热导率可达到惊东谈主的4000 W/mK至5000 W/mK，远高于大大王人金属。
（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额出门众，被以为是制造超轻防弹衣的理念念材料。
（5）光学性能：石墨烯果然齐全透明，只接管2.3%的可见光，连合其精致的导电性，符合用于制作透明触控屏幕和太阳能电板。
近日，石墨烯的商讨再次迎来了要紧冲破。在泰斗科学期刊《Nature》上发表了两篇对于石墨烯的商商量文。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
石墨烯的基脚不错动作选定性障蔽，对证子透过具有精致的选定性，但对其他离子和缓体则不透过。这种秉性使石墨烯在膜、催化和同位素分离等应用中走漏出雄伟后劲。
在石墨烯上，质子不错通过化学吸附的方法被拿获，并触发导体到绝缘体的滚动历程，这一表象在石墨烯基电子器件的研发中得到了等闲商讨。然而质子传输和氢化历程的能量按捺使其本色应用受到收尾。常用的改性法度天然不错加速质子传输，但时时会影响石墨烯的其他要紧性质，如离子选定性或机械褂讪性。为了克服这一课题，英国曼彻斯特大学国度石墨烯中心的商讨东谈主员忽视了多种计策，软件开发平台价格包括引入空位、连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。
最新的商讨后果标明，通过颓唐轨则电场强度（E，约1 V/nm）和载流子密度（n，约1×1014cm-2），把握双门控石墨烯不错兑现对电场和电荷载流子密度的颓唐轨则，从而达到加速质子传输速率的见识，同期颓唐轨则对证子传输历程和晶格加氢反馈。初度同期兑现了逻辑运算与牵记存储这两个意象机的基本功能，为石墨烯基器件的开荒与应用提供了新的场地。
正文内容
商讨团队通过选定双栅调控法度，揭示了把握电场强度和电荷密度的颓唐轨则，粗略在石墨烯中兑现对两个已知电化学历程的选定性轨则，这一发现是其他计策未能兑现的。
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。通过成就高下两组门控电压，他们独就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要求下对证子传输和氢化历程进行了测试。
图1b展示了在单一门控的高电位要求下快速质子传输与氢化历程的耦合表象。而图1c则走漏了在双门控要求下，当处于超强电场强度和低电荷密度时，质子传输会被加速，但氢化历程并未发生。图1d进一步展示了在电场强度为零且电荷密度额外高的双门控要求下，质子传输被阻断，而氢化历程却得以发生。
图1. 双栅极石墨烯器件中质子传输和氢化的选定性轨则
小程序开发商讨团队通过将电场强度和电荷密度动作变量，收效画图了质子传输和电子传输的图谱（图 2a、图2b）。这一后果使得团队粗略精确分袂不同电场强度和电荷密度要求下，质子传输和石墨烯氢化历程的定量关联。
图2. 双栅极石墨烯中颓唐轨则E和n的质子和电子输运
商讨团队随后展示了他们的石墨烯器件粗略动作存储器，可同期在导电和绝缘的电子现象之间切换，并把握质子电流来实施一样意象机的逻辑操作。如图 3所示，他们通过构建一个粗略兑现异或（XOR）逻辑操作的成立来考据这一功能。具体来说，当输入值中1的个数为奇数时，成立将输出1。这一逻辑操作的兑现触及调治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现象之间切换，从而产生强质子电流并输出相应的逻辑斥逐，同期不扰乱还是设定的电子存储现象。这一应用展示是里程碑式的，因为它将两种成立的功能集成到一个器件中，且无需独特的电路来诱导它们。
图3. 双门石墨烯中质子传输和氢化的持重和精实在换兑现了基于质子的逻辑和存储成立
纪念
本商讨的亮点在于：双门控石墨烯器件粗略精确地颓唐波折电场强度和电荷密度，从而兑现对证子传输和氢化历程的精确操控。更要紧的是，揭示了双门控2D晶体粗略在电极-电解质界面中兑现映射历程，而这在现在莫得双门控的情况下是无法兑现的。这一窜改技艺在多个范围展现出等闲的应用后劲，包括质子传导膜、催化历程以及同位素分离等。此外，它还为二维电化学材料卓越揣度历程的商讨开辟了新的阶梯和法度。
翌日，基于一样旨趣的二维晶体成立有望兑现对其他耦合界面历程的选定性运行，进一步拓宽电化学商讨的参数范围。同期，该商讨后果也为触及离子和电子互相作用的逻辑运算和存储成立的贪图与开荒指明了新的场地。
论文持续
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”。