控制额外的载流子是操纵各种二维材料电子、光学和磁性的关键。然而,二维材料在空气和酸中普遍存在的空穴掺杂在其力学细节上一直存在争议。在这里,我们证明了它们的共同起源是由氧和水分子的氧化还原对驱动的电化学反应。使用WS
2的实时光致发光成像和石墨烯的拉曼光谱,我们捕获了分子在二维纳米空间中的二维材料与亲水基板之间的扩散现象,结果表明亲水基板容纳了水分子,也充当了水合溶剂。我们根据能斯特方程还证明,HCl诱导的掺杂受溶解的O
2和pH值控制。本文所解剖的纳米电化学对材料的性质设定了环境限制,这不仅适用于二维材料,也适用于其他形式的材料。
Fig. 1激子的化学调制电离。a对位于受控气态环境中的SiO
2(1LW
silica)上支撑的单层(1L)WS
2的原位光学测量。b具有中性(X
0)和带电(X
+和X
−)激子态的WS
2的电子能带(下图);其辐射和非辐射(nr)衰减率(γ)的示意图(上图)。c在各种气体环境中WS
2的光致发光(PL)光谱。d随气体环境变化随时间测量1LW
silica和1LW
BN的PL强度。e WS
2中电荷密度的化学与电调制之间的等价关系。
Fig. 2界面受限的氧化还原反应的实时光致发光图像。a-c在气体、水和1LW
BN的广角PL图像和光学显微照片和PL增强图像。d-f 1LW
silica氧化还原反应的O
2扩散途径的方案。
Fig. 3氧化还原反应的放大和抑制。a 1L石墨烯(1LG
silica)的原始,热活化和失活的拉曼光谱。b在不同温度下退火的1LG
silica的G和2D频率之间的相关。c石墨烯的晶格应变(上)和空穴密度(中)的变化;SiO
2基材的水接触角(底部)与退火温度(T)的关系。d在二乙基锌处理(上)和未处理(下)的基板上制备的1LG
silica的光学显微照片(左)和电荷密度图像(右)。e空气平衡的石墨烯-SiO
2界面示意图。
Fig. 4 pH控制的电荷转移。a延时测量1LG
silica在HCl溶液中的电荷密度。b O
2诱导的1LG
silica在HCl溶液中增加的电荷密度与pH的关系。c在不同pH的HCl溶液中1LG
silica单位面积的初始电荷转移速率。d用于显微光谱仪的光学液体池与气体分布器的组合方案。e从石墨烯和WS
2到O
2/H
2O氧化还原反应的电荷转移能级图。f在不同ph值的HCl溶液中,O
2调节1LG
silica的总PL强度。
相关研究成果于2019年浦项科技大学化学系Sunmin Ryu课题组,发表在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