石墨烯是一种具备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，这类碳原子以六边形的方法排列在二维平面上。其独特的二维六角型晶格结构，由碳原子以sp2杂化方法连接而成。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质，使得石墨烯在电子学、能源、催化等范围展示出巨大的应用潜力。
前言
自2004年石墨烯诞生以来，它便广受关注，成为了材料科学范围的一颗璀璨明星。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离别出了单层的石墨烯，这一发现震撼了全世界。随后，他们由于这一伟大的成就而一同获得了2010年的诺贝尔物理学奖。然而，仅仅依赖这一发现，石墨烯的价值并未得到充分的发挥。伴随科技的不断进步，大家开始研究怎么样将石墨烯应用于实质问题中。在这一过程中，石墨烯的应用范围得到了持续的拓展。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施。除此之外，石墨烯还可以作为散热材料，用于提升电子设施的运行效率。在新能源范围，石墨烯被觉得是一种理想的太阳能电池材料。因为其出色的光电转换效率和可塑性，石墨烯有望成为将来太阳能电池的核心材料。
石墨烯是一种具备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，这类碳原子以六边形的方法排列在二维平面上。其独特的二维六角型晶格结构，由碳原子以sp2杂化方法连接而成。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质，使得石墨烯在电子学、能源、催化等范围展示出巨大的应用潜力，详细的性能特征如下：
(1)基本性质：石墨烯的每一个碳原子通过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，其电子行为像无水平的狄拉克费米子，这一特质为研究相对论量子电动力学提供了实验平台。
(3)热性能：石墨烯的导热系数特别高，超越了碳纳米管和金刚石，使其在热管理范围具备潜在应用。石墨烯在室温下的热导率可达到惊人的4000 W/mK至5000 W/mK，远高于大部分金属。
(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很出众，被觉得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，结合其好的导电性，合适用于制作透明触控屏幕和太阳能电池。
日前， 的研究第三迎来了重大突破。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，对质子透过具备好的选择性，但对其他离子和气体则不透过。这种特质使石墨烯在膜、催化和同位素离别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法被捕获，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。但质子传输和氢化过程的能量障碍使其实质应用遭到限制。常见的改性办法虽然能加速质子传输，但总是会干扰石墨烯的其他重要程度质，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职员提出了多种方案，包含引入空位、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迅速传输。
最新的研究成就表明，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)，借助双门控石墨烯可以达成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。初次同时达成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办法，揭示了借助电场强度和电荷密度的独立控制，可以在石墨烯中达成对两个已知电化学过程的选择性控制，这一发现是其他方案未能达成的。
在他们的器件中，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，并在不一样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迅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特别高的双门控条件下，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)。这一成就使得团队可以精确区别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可以作为存储器，可同时在导电和绝缘的电子状况之间切换，并借助质子电流来实行类似计算机的逻辑操作。如图3所示，他们通过构建一个可以达成异或(XOR)逻辑操作的设施来验证这一功能。具体来讲，当输入值中1的个数为奇数时，设施将输出1。这一逻辑操作的达成涉及调整顶部和底部电极的电压，使得石墨烯在不一样的门电压下可以在导电和绝缘状况之间切换，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况。这一应用展示是里程碑式的，由于它将两种设施的功能集成到一个器件中，且不需要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达成了基于质子的逻辑和存储设施
本研究的闪光点在于：双门控石墨烯器件可以精确地独立调节电场强度和电荷密度，从而达成对质子传输和氢化过程的精准操控。更要紧的是，揭示了双门控2D晶体可以在电极-电解质界面中达成映射过程，而这在现在没双门控的状况下是没办法达成的。这一革新技术在多个范围展示出广泛的应用潜力，包含质子传导膜、催化过程与同位素离别等。除此之外，它还为二维电化学材料及其有关过程的研究开辟了新的渠道和办法。
将来，基于类似原理的二维晶体设施有望达成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，该研究成就也为涉及离子和电子相互用途的逻辑运算和存储设施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
