控制額外的載流子是操縱各種二維材料電子、光學和磁性的關(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細節(jié)上一直存在爭議。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驅(qū)動的電化學反應(yīng)。使用WS
2的實時光致發(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散現(xiàn)象，結(jié)果表明親水基板容納了水分子，也充當了水合溶劑。我們根據(jù)能斯特方程還證明，HCl誘導的摻雜受溶解的O
2和pH值控制。本文所解剖的納米電化學對材料的性質(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激子的化學調(diào)制電離。a對位于受控氣態(tài)環(huán)境中的SiO
2(1LW
silica)上支撐的單層(1L)WS
2的原位光學測量。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)境變化隨時間測量1LW
silica和1LW
BN的PL強度。e WS
2中電荷密度的化學與電調(diào)制之間的等價關(guān)系。
Fig. 2界面受限的氧化還原反應(yīng)的實時光致發(fā)光圖像。a-c在氣體、水和1LW
BN的廣角PL圖像和光學顯微照片和PL增強圖像。d-f 1LW
silica氧化還原反應(yīng)的O
2擴散途徑的方案。
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延時測量1LG
silica在HCl溶液中的電荷密度。b O
2誘導的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)移能級圖。f在不同ph值的HCl溶液中，O
2調(diào)節(jié)1LG
silica的總PL強度。
相關(guān)研究成果于2019年浦項科技大學化學系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
