石墨烯，作为碳的同素异形体，自其诞生以来便成为了材料科学领域的一颗璀璨明星。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，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。近日，石墨烯的研究再次迎来了重大突破。在权威科学期刊《Nature》上，于2024年6月19日，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”，另一篇为“Tunable superconductivity in electron- and hole-doped Bernal bilayer graphene”。
1、第一篇
石墨烯的基面对质子可渗透，但对所有离子和气体都不可渗透，可以起到选择性势垒的作用，促进其在膜技术、催化反应和同位素分离等领域展现出巨大潜力。质子能够化学吸附在石墨烯上并使其氢化，从而引发导体-绝缘体的转变，这一特性在石墨烯电子设备尤为引人注目。然而，这两种过程都面临能量障碍，尽管目前已经提出了各种策略来加速质子传输，如通过引入空位、引入催化金属或化学功能化晶格。但这些技术往往会对石墨烯的其他特性产生不利影响，如离子选择性或机械稳定性。
鉴于此，英国曼彻斯特大学M. Lozada-Hidalgo和J. Tong合作报道了一种新方法，在双栅极石墨烯中，通过独立控制电场E~1V·nm-1和电荷载流子密度n~1×1014cm-2，实现了质子传输与晶格氢化的解耦，从而加速质子传输，使其接近设备的极限电解质电流。质子传输和氢化可以精确而稳定地选择性驱动，从而实现基于质子的逻辑和记忆石墨烯器件，其开关比跨越几个数量级。结果表明，场效应可以加速和解耦双栅极2D晶体中的电化学过程，并证明了将这些过程映射为E和n的函数的可能性，这是研究2D电极-电解质界面的一种新技术。相关研究工作以“Control of proton transport and hydrogenation in double-gated graphene”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。
图文速递
图1. 双栅极石墨烯器件中质子传输和氢化的选择性控制
图2. 双栅极石墨烯中独立控制E和n的质子和电子输运
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
结论与展望
这项研究表明了，双门控石墨烯器件通过独立控制E和n，能够精确而稳定地控制质子传输和氢化。场效应强烈加速质子传输，这对质子传导膜、催化和同位素分离的应用很重要。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。研究者将这些图称为电化学电荷场图，以将其与传统的双门控区分开来。本项研究报道的质子传输和氢化的选择性加速，表明类似的2D晶体器件可以选择性地驱动其他耦合界面过程。鉴于当前在2D晶体中嵌入催化剂的进展，未来这种技术可能包括与更快的析氢反应竞争的反应，如CO2还原。从根本上讲，这项工作扩展了可以研究2D晶体中电化学过程的参数空间。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07435-8
2、第二篇
基于石墨烯的高质量二维电子系统已成为研究超导性的高度可调平台。具体而言，在电子和空穴掺杂的扭曲石墨烯莫尔系统中都能观察到了超导性，而在晶体石墨烯系统中，迄今为止仅在空穴掺杂的菱形三层石墨烯（RTG）和空穴掺杂伯纳尔双层石墨烯（BBG）中观察到了超导体性。最近，由于与单层WSe2接近，BBG中显示出了增强的超导性。
鉴于此，上海交通大学李听昕、刘晓雪&武汉大学吴冯成合作报道了在电子和空穴掺杂的BBG/WSe2器件中，通过静电掺杂观察到的超导性和一系列风味对称性破坏相。这种超导电性的强度可通过施加的垂直电场来调节。对于电子和空穴掺杂的超导电性，最大Berezinskii-Kosterlitz-Thouless跃迁温度分别约为210mK和400mK。仅当电场将BBG电子或空穴波函数驱动向WSe2层时，超导性才会出现，凸显了WSe2层在观测到的超导性中的重要性。空穴掺杂的超导性违反了泡利顺磁极限，与类伊辛超导体一致。而电子掺杂的超导性服从泡利极限，尽管在导带中也显著存在邻近诱导的伊辛自旋-轨道耦合。这些发现揭示了BBG导带中相关的丰富物理特性，为深入研究晶体石墨烯的超导机制和开发基于BBG的超导体器件铺平了道路。相关研究工作以“Tunable superconductivity in electron- and hole- doped Bernal bilayer graphene”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。
图文速递
图1. BBG/WSe2的相图和电子和空穴掺杂超导电性
图2. 空穴掺杂超导电性的费米表面分析
图3. 电子掺杂超导电性的费米表面分析
图4. 空穴掺杂和电子掺杂超导电性的平面内磁场相关性
结论与展望
深入探索结晶石墨烯系统和扭曲石墨烯系统中的超导配对机制，仍然是凝聚态物理学中最重要和最有趣的问题之一。在众多基于石墨烯的超导体中，BBG提供了最简单的平台来理解突发超导性。此外，与其他石墨烯超导体相比，BBG的结构稳定性具有显著优势，能够重复制造高质量的器件。这项研究揭示了单层WSe2接近的空穴和电子掺杂的BBG中，由n和D调谐的丰富相图。在BBG的大D场中出现的风味对称性破坏相，与在菱形堆叠的多层石墨烯中观察到的非常相似。空穴和电子掺杂的超导电性都与PIP2费米表面的出现和WSe2的接近有关。这些发现不仅凸显了BBG中导带相关的丰富物理性质，还揭示了BBG/WSe2中电子和空穴掺杂超导电性之间的相似性和差异性。电子掺杂的超导电性并未展现出伊辛类超导体的特性，表明WSe2在稳定BBG中超导电性中的作用，可能不仅归因于伊辛SOC。这些观察结果为理解晶体石墨烯系统中的超导机制的理论模型提供了实质性的约束。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07584-w
