石墨烯基超级电容器因其优异的储能性能而备受关注。尽管有大量的研究工作试图提高性能，但在商业应用中的器件优化仍然需要解决实验阐明纳米尺度界面分子特性的挑战。为了解决这一问题，本研究利用无衬底石墨烯场效应晶体管（SF-GFETs）和氧化物负载石墨烯场效应晶体管（OS-GFETs）进行了一系列实验，以阐明在不同表面电位状态和离子浓度环境下石墨烯电解质界面的排列和相应的电容。对于SF-GFET，观察到随着离子浓度的增加，Dirac点的滞后从0.32 V变为−0.06 V。此外，它导致界面电容从4 F/g变化到2 F/g。对于OS-GFET，Dirac点的滞后保持为负（−0.15到−0.07 V）。此外，随着离子浓度的增加，OS-GFET的相应电容减小（53–16 F/g）。这表明石墨烯-水界面有序取向的水结构逐渐被离子水合团簇所取代，导致了电容的差异。用一阶Hill方程模拟Dirac点滞后值与离子浓度的关系，得到半占位值（KCl溶液K=1.0131×10^–4，MgCl2溶液K=6.6237×10^–5）。这也与界面内水层中两种矿物离子水化的差异相一致。这项工作阐明了界面纳米尺度排列对界面电容形成的影响以及对超级电容器发展的布局意义。
 
 
图1. SF-GFET/OS-GFET装置示意图和测量图。（a） SF-GFET设备俯视图。（b） SF-GFET装置横截面A–A′方向视图。（c） SF-GET装置横截面B–B′方向的视图。（d） SF-GFET器件中石墨烯悬浮在微孔阵列上的SEM图像。（e） SF-GFET器件中悬浮石墨烯（蓝线）和OS-GFET器件中支撑石墨烯（黑线）的拉曼光谱。（f） OS-GFET设备的俯视图。（g） OS-GFET设备横截面C–C′方向视图。
 
 
  
图2. SF-GFET和OS-GFET在1μM KCl电解液中石墨烯输运行为的比较。（a） I_d–V_g曲线（前向扫描SF_ F:SF-GFET；后向扫描SF_B:SF-GFET；前向扫描OS_F:OS-GFET；后向扫描OS_B:OS-GFET）。（b） SF-GFET和OS-GFET的滞后效应（ΔV）的实验结果。（c） SF-GFET实验装置示意图。（d） OS-GFET实验装置示意图。
 
 
图3. SF-GFET和OS-GFET在1、10和100μM电解液中石墨烯输运行为的比较。（a） SF-GFET和OS-GFET在KCl水溶液中的滞后效应（ΔV）。（b） SF-GFET和OS-GFET在MgCl₂水溶液中的滞后效应（ΔV）。
 
 
图4. SF-GFET和OS-GFET在1、10和100μM电解液中石墨烯输运行为的比较。（a） SF-GFET和OS-GFET在KCl水溶液中的最大栅电流。（b） SF-GFET和OS-GFET在MgCl₂水溶液中的最大栅电流。黑色矩形和红色圆圈分别显示SF-GFET和OS-GFET的最大栅电流值。
 
 
图5.（a） SF-GFET在KCl和MgCl₂浓度为1μM、10μM、100μM和1 mM的电解液中的恒电压漏电流。（b）氯化钾水溶液和氯化镁水溶液中表面离子的分布。为清楚起见，它仅以离子状态表示。
 
 
图6.不同栅极电压和不同阶跃率下GFET的漏电流行为（I_d）和栅电流行为（I_g）：（a）SF-GFET与1μM KCl电解质溶液接触的I_d；（b） OS-GFET与1 mM KCl电解质溶液接触的I_d；（c） SF-GFET与1μM KCl电解质溶液接触的I_g；（d） OS-GFET与1 mM KCl电解质溶液接触的I_g；（e） SF-GFET和OS-GFET在1μM和1 mM KCl水溶液浓度下随栅极电压阶跃增加的滞后效应。
 
 
 
图7.SF-GFET与1μM KCl电解质溶液在不同栅极电压下的界面演变示意图。右边的色条显示第一个水层中悬挂的水分子“S”的布居程度。悬水（S）分布在深蓝色时增强，而在浅蓝色时减弱。为清楚起见，2D HBN和离子水合簇仅以离子状态表示：（a）前向扫描路径处的V_g=−0.8 V。（b） 前向扫描路径处的V_g=0 V。（c） V_g=正向扫描路径处的0.8 V。（d） V_g=反向扫描路径处的0.8 V。（e） 在后向扫描路径处，V_g=0 V。（f） V_g=−0.8 V，位于后向扫描路径。
 
 
图8.SF-GFET和OS-GFET在1μM和1 mM KCl环境中悬垂分子演化的比较。为清楚起见，2D HBNS和离子水合团簇仅以离子状态表示：（a）SF-GFET和1μM KCl环境。（b） OS-GFET具有1μM KCl环境。（c） SF-GFET具有1 mM KCl环境。（d） OS-GFET具有1 mM KCl环境。
 
 
图9.比较了SF-GFET和OS-GFET-GFET在1μM和1 mM KCl环境中的净场效应电流（ΔI）和界面电容（C）。对于SF-GFET（疏水表面），净场效应电流（ΔI）很小；相比之下，OS-GFET（亲水表面）在栅电压扫描过程中表现出峰值电流行为。
 
        相关研究成果由的台湾大学Chih-Ting Lin课题组 2025年发表在ACS Applied Materials & Interfaces (链接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c16362)上。原文：Nanoscopic Supercapacitance Elucidations of the Graphene-Ionic Interface with Suspended/Supported Graphene in Different Ionic Solutions

转自《石墨烯研究》公众号