清华大学张金松、王亚愚最新Nature子刊！学术资讯

石墨烯具有高电子迁移率、高稳定性、高透光性以及柔性的特点，在下一代电子学技术的发展中备受关注。然而石墨烯是零能隙的半金属，使得传统石墨烯晶体管的开关比很小，能量损耗较大。利用氢化反应将石墨烯转化为含有sp3成键的氢化石墨烯，是打开能隙的方法之一，理论上在完全氢化的情况下能隙可以达到3.5eV。但由于石墨烯化学稳定性，氢化反应通常需要较活性较高的氢原子或氢等离子体参与反应，并且脱氢化反应需要加热退火的方式才能实现，这些都限制了氢化反应控制石墨烯场效应管的应用。

近期，物理系张金松、王亚愚和段文晖课题组通过电场调控的可逆氢化反应方法，率先使用了一种新型的溶解氢离子的有机电解液，在微米尺度的单层石墨烯中实现了从导体到绝缘体的快速可逆转变。

图1：(a)溶解氢离子的有机电解液调控石墨烯的器件及电测量线路示意图。(b)石墨烯晶格（蓝色）与氢离子（红色）之间氢化过程图解。(c)在室温25度时，连续三个测量循环得到的器件源极与漏极之间的电流（IDS）随栅压（VG）的变化曲线。(d)单层石墨烯在不同栅压（VG）下对应的拉曼光谱。右侧标签中不同VG对应的IDS在图(c)中通过相同颜色的实心点和圈内数字表示。

器件结构和转移特性曲线如图1所示，当栅极电压VG超过氢化反应电位时（~1.7V），石墨烯晶格变得高度活化，氢离子不断与碳原子形成化学键。随着大量sp3杂化的碳氢键在石墨烯中产生，石墨烯的输运带隙增大，源漏电流（IDS）急剧下降至接近于零，并持续保持这种截断的状态至VG=4.0V。当VG逐渐降低到0.2V，IDS开始缓慢增加，直到-1.0V时，IDS完全恢复到初始开态的电流大小。此时的单层石墨烯完全退氢化，氢原子离开，碳碳键回到最初的sp2杂化。随后VG继续在-1.0V和2.2V之间来回扫描两个周期，得到几乎一致的三个周期IDS随VG的变化曲线。

图2：(a)示波器同时测量单层石墨烯器件的源极与漏极之间电压（VDS，黑线）和栅压（VG，红线）上由信号发生器产生的方波。当VG在-0.5V和2.4V电压间周期翻转时，VDS在外加电压为0.5V的分压电路中快速切换分压值（0-0.5V）。(b)经过28小时，器件经历100万次开关后源极与漏极之间电压（VDS，黑线）随栅压（VG，红线）的变化曲线。测量方法与图(a)相同。(c-d)单层石墨烯器件的开关响应时间。从开态到关态，VDS从10%上升至90%经过的时间为0.4ms。从关态到开态，VDS从90%降低至10%经过的时间为0.13ms。其中栅压VG从-1V到2.6V的转变时间为1ms，图(d)中的蓝色虚线是VDS的外推曲线。

完全氢化的单层石墨烯在室温的电阻超过200GW/sq，电流开关比大于1×108。同时场效应管器件具有很高的耐久度，在开关100万次后，依然能正常工作。进一步研究器件的响应速度，我们发现当栅极电压（VG）从-1.0V上升至2.6V，器件在分压电路中的分压VDS上升时间（10%-90%）为0.4ms，延迟时间为2.2ms（包含VG上升时间1ms）。器件响应速度主要取决于VG的正电压大小以及石墨烯通道的尺寸大小。当VG从2.6V切换到-1.0V时，由于化学场效应晶体管中寄生电容影响了测量信号，我们假设开关曲线遵循VDS的趋势，估计下降时间（90%-10%）为0.13ms左右，远低于上升时间。

不仅如此，研究团队在双层石墨烯中也观察到类似的绝缘行为，而三层石墨烯在氢化后仍然具有很高的导电性。石墨烯发生氢化反应后，发生的晶格变化以及sp2键向sp3键转变都在原位拉曼光谱测量和第一性原理计算中被证实。

该工作利用了氢离子调控方法，在室温下实现了石墨烯超大输运带隙的可逆调控，场效应管的电流开关比达到了108，同时保持了器件的超高稳定性（100万次开关寿命）。相关研究成果以“Large transport gap modulation in graphene via electric-field-controlled reversible hydrogenation”为题发表在2021年3月15日的Nature Electronics上（https://dx.doi.org/10.1038/s41928-021-00548-2）。