双栅极石墨烯中质子传输与氢化的控制

石墨烯的基面可以作为选择性势垒，允许质子透过而阻隔所有离子和气体，这促进了其在膜、催化和同位素分离等领域的应用。质子可以在石墨烯上化学吸附并使其氢化，引发导体-绝缘体相变，这一效应在石墨烯电子器件中得到了广泛研究。然而，这两个过程都面临能量势垒，目前已提出多种策略来加速质子传输，例如引入空位、掺入催化金属或对晶格进行化学功能化。然而，这些技术可能会损害其他性能，如离子选择性或机械稳定性。在此我们表明，在双栅极石墨烯中独立控制约 1 V nm-1 的电场 $E$ 和约 1 x 10^14 cm-2 的电荷载流子密度 $n$，能够将质子传输与晶格氢化解耦，从而加速质子传输，使其接近我们器件的极限电解电流。质子传输和氢化可以被精确、稳健地选择性驱动，从而实现具有跨越多个数量级开关比的基于质子的逻辑和存储石墨烯器件。我们的结果表明，场效应可以加速和解耦双栅极二维晶体中的电化学过程，并展示了将此类过程作为 $E$ 和 $n$ 的函数进行映射的可能性，这是一种研究二维电极-电解质界面的新技术。