控制額外的載流子是操縱各種二維材料電子、光學(xué)和磁性的關(guān)鍵。然而，二維材料在空氣和酸中普遍存在的空穴摻雜在其力學(xué)細(xì)節(jié)上一直存在爭(zhēng)議。在這里，我們證明了它們的共同起源是由氧和水分子的氧化還原對(duì)驅(qū)動(dòng)的電化學(xué)反應(yīng)。使用WS
2的實(shí)時(shí)光致發(fā)光成像和石墨烯的拉曼光譜，我們捕獲了分子在二維納米空間中的二維材料與親水基板之間的擴(kuò)散現(xiàn)象，結(jié)果表明親水基板容納了水分子，也充當(dāng)了水合溶劑。我們根據(jù)能斯特方程還證明，HCl誘導(dǎo)的摻雜受溶解的O
2和pH值控制。本文所解剖的納米電化學(xué)對(duì)材料的性質(zhì)設(shè)定了環(huán)境限制，這不僅適用于二維材料，也適用于其他形式的材料。
Fig. 1激子的化學(xué)調(diào)制電離。a對(duì)位于受控氣態(tài)環(huán)境中的SiO
2(1LW
silica)上支撐的單層(1L)WS
2的原位光學(xué)測(cè)量。b具有中性(X
0)和帶電(X
+和X
−)激子態(tài)的WS
2的電子能帶(下圖)；其輻射和非輻射(nr)衰減率(γ)的示意圖(上圖)。c在各種氣體環(huán)境中WS
2的光致發(fā)光(PL)光譜。d隨氣體環(huán)境變化隨時(shí)間測(cè)量1LW
silica和1LW
BN的PL強(qiáng)度。e WS
2中電荷密度的化學(xué)與電調(diào)制之間的等價(jià)關(guān)系。
Fig. 2界面受限的氧化還原反應(yīng)的實(shí)時(shí)光致發(fā)光圖像。a-c在氣體、水和1LW
BN的廣角PL圖像和光學(xué)顯微照片和PL增強(qiáng)圖像。d-f 1LW
silica氧化還原反應(yīng)的O
2擴(kuò)散途徑的方案。
Fig. 3氧化還原反應(yīng)的放大和抑制。a 1L石墨烯(1LG
silica)的原始，熱活化和失活的拉曼光譜。b在不同溫度下退火的1LG
silica的G和2D頻率之間的相關(guān)。c石墨烯的晶格應(yīng)變(上)和空穴密度(中)的變化；SiO
2基材的水接觸角(底部)與退火溫度(T)的關(guān)系。d在二乙基鋅處理(上)和未處理(下)的基板上制備的1LG
silica的光學(xué)顯微照片(左)和電荷密度圖像(右)。e空氣平衡的石墨烯-SiO
2界面示意圖。
Fig. 4 pH控制的電荷轉(zhuǎn)移。a延時(shí)測(cè)量1LG
silica在HCl溶液中的電荷密度。b O
2誘導(dǎo)的1LG
silica在HCl溶液中增加的電荷密度與pH的關(guān)系。c在不同pH的HCl溶液中1LG
silica單位面積的初始電荷轉(zhuǎn)移速率。d用于顯微光譜儀的光學(xué)液體池與氣體分布器的組合方案。e從石墨烯和WS
2到O
2/H
2O氧化還原反應(yīng)的電荷轉(zhuǎn)移能級(jí)圖。f在不同ph值的HCl溶液中，O
2調(diào)節(jié)1LG
silica的總PL強(qiáng)度。
相關(guān)研究成果于2019年浦項(xiàng)科技大學(xué)化學(xué)系Sunmin Ryu課題組，發(fā)表在Nature Communications (https://doi.org/10.1038/s41467-019-12819-w)上。原文：Redox-governed charge doping dictated by interfacial diffusion in two-dimensional materials
