基底调控石墨烯界面质子吸附的机制研究与性能优化

（编辑推荐）本研究通过电学传输测试、拉曼光谱和开尔文探针力显微镜（KPFM）技术，揭示了支撑基底（SiO2与hBN）对石墨烯-液体界面质子吸附的调控机制。发现SiO2基底因电荷不均匀性显著提升质子吸附密度（2.04×1012 cm?2），而hBN基底因电学均一性抑制吸附（0.04×1012 cm?2），为二维材料界面设计提供了关键理论依据。

　　

Highlight

基底如何调控石墨烯界面质子吸附？通过对比SiO₂与hBN支撑的石墨烯器件，发现前者因电荷涨落剧烈成为质子吸附"热点"，后者则因电学"平滑"抑制吸附——这一发现为水性环境中二维材料器件的性能优化提供了新思路。

Devices fabrication（器件制备）

单层石墨烯通过机械剥离法置于285 nm厚的SiO₂/Si基底（上海矽翌电子科技公司产品）或hBN薄层上。hBN器件采用干法转移技术确保界面洁净，所有样品经横向力显微镜（LFM）筛选，仅保留无褶皱、气泡的原子级平整区域（图S4）。

Substrate contribution on proton adsorption（基底对质子吸附的贡献）

如图1a所示，hBN支撑的石墨烯场效应晶体管（GFET）在HCl溶液中几乎无电荷中性点（NP）偏移（0.04×10¹² cm^?2），而SiO₂支撑器件NP偏移显著（2.04×10¹² cm^?2）。开尔文探针力显微镜（KPFM）显示，SiO₂表面存在>50 mV的局域电势波动，形成质子吸附的"电子陷阱"（图2c），而hBN表面电势波动<10 mV。

Conclusion（结论）

本研究首次阐明基底介导的电荷不均匀性是调控石墨烯界面离子吸附的关键：非晶SiO₂的"电子斑图"促进质子吸附，而hBN的"电学镜面"特性抑制吸附。该发现为设计高性能石墨烯基水电化学器件提供了基底选择准则。