石墨烯的基面可以作為選擇性屏障，對質子透過具有良好的選擇性，但對其他離子和氣體則不透過。這種特性使石墨烯在膜、催化和同位素分離等應用中顯示出巨大潛力。然而，質子傳輸和氫化過程的能量障礙使其實際應用受到限制。常用的改性方法雖然可以加速質子傳輸，但往往會影響石墨烯的其他重要性質，如離子選擇性或機械穩定性。另外，在電化學中，電極電荷密度和垂直于電極-電解質界面的電場，與通過施加的電位和實驗條件（如離子濃度或溶劑極化性）基本上是相互關聯的。對于石墨烯-電解質界面，質子傳輸與石墨烯氫化過程是兩個復雜的相關聯的電化學過程，難以通過調節單一門控電位等進行選擇性調控。而在二維材料的電子輸運研究表明，由于單獨的門控電位可以疊加的特性，通過使用雙門控可以解耦和電場強度和電荷密度。在二維電子輸運器件中，獨立控制這兩個變量，可以用于調控二維晶體的能帶結構，例如淬滅二維半導體的能隙或精確控制耦合鐵電性和超導性等。為了解決上述難題，英國曼徹斯特大學國家石墨烯中心仝金程博士、付楊明博士和M. Lozada-Hidalgo教授等展示了在電解質雙門控石墨烯器件中，通過獨立控制超強電場強度（E，約1 V/nm）和超高載流子密度（n，約1×10^14 cm^-2），實現了質子傳輸與氫化兩個電化學過程的解耦及選擇性調控，從而顯著加速質子傳輸。進而，通過對面內電子傳輸與面外質子傳輸的精準調控，他們展示了在同一個器件的同一功能層中，首次同時實現了邏輯運算與記憶存儲著兩個計算機的基本功能，為石墨烯基器件的開發與應用提供了新的方向。圖1：雙門控石墨烯器件中質子傳輸和石墨烯氫化的選擇性控制。在該器件中使用了機械剝離的懸浮石墨烯膜，在其兩側涂覆非水質子導電電解質，通過上下兩組門控電壓獨立控制石墨烯-電解質界面的電位。通過雙門控技術解耦電場強度和電荷密度，并測試在不同電場和載流子密度條件下質子傳輸和氫化過程。圖b代表了在單一門控的高電位條件下，快速的質子傳輸與氫化過程是耦合的。圖c代表了在雙門控條件下，在超強電場強度和低的電荷密度下，質子傳輸被加速，而氫化過程并未發生。圖d代表了在雙門控條件下，在電場強度為零而電荷密度非常高時，質子傳輸被禁止，而氫化過程卻可以發生。 圖2. 雙門控石墨烯中，獨立控制電場E和電荷密度n對質子和電子傳輸的影響圖譜進一步地，研究人員以電場強度和電荷密度為變量，獲得了相應的質子傳輸及電子傳輸的圖譜（圖2a、圖2b）。從而厘清了不同電場強度及不同電荷密度與質子傳輸以及石墨烯氫化的定量化關系。 圖3. 雙門控石墨烯中質子傳輸和氫化的穩健精確切換，實現了邏輯和存儲雙功能的器件隨后，研究人員展示了他們的石墨烯器件能夠同時實現導電和絕緣的電子狀態作為存儲器，并利用質子電流執行類似計算機的邏輯操作。他們通過構建一個實現異或（XOR）操作的設備來證明這一功能，即當輸入中值為1的個數為奇數時輸出1。實現這一操作的步驟包括調節頂部和底部電極的電壓，使得石墨烯在不同的門電壓下可以切換導電或絕緣狀態，從而產生強質子電流并輸出相應的邏輯結果，而不影響預設的電子存儲狀態。這項應用展示是里程碑式的，因為它將兩個設備的功能整合到一個設備中，消除了需要其他電路來連接它們的需求。 雙門控石墨烯器件通過獨立控制電場強度和電荷密度，實現了質子傳輸和氫化過程的精確控制。這一技術不僅在質子傳導膜、催化和同位素分離等領域具有重要應用，還為二維電化學材料及過程的研究提供了新的方法和思路。未來，類似的二維晶體設備可能會選擇性地驅動其他耦合界面過程，進一步拓展電化學研究的參數空間。而該研究也為離子、電子共同參與的邏輯和存儲設備的開發提供了新的方向。Tong, J., Fu, Y., Domaretskiy, D. et al. Control of proton transport and hydrogenation in double-gated graphene. Nature 630, 619–624 (2024).https://doi.org/10.1038/s41586-024-07435-8
