石墨烯基超級(jí)電容器因其優(yōu)異的儲(chǔ)能性能而備受關(guān)注。盡管有大量的研究工作試圖提高性能，但在商業(yè)應(yīng)用中的器件優(yōu)化仍然需要解決實(shí)驗(yàn)闡明納米尺度界面分子特性的挑戰(zhàn)。為了解決這一問(wèn)題，本研究利用無(wú)襯底石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管（SF-GFETs）和氧化物負(fù)載石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管（OS-GFETs）進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，以闡明在不同表面電位狀態(tài)和離子濃度環(huán)境下石墨烯電解質(zhì)界面的排列和相應(yīng)的電容。對(duì)于SF-GFET，觀察到隨著離子濃度的增加，Dirac點(diǎn)的滯后從0.32 V變?yōu)?minus;0.06 V。此外，它導(dǎo)致界面電容從4 F/g變化到2 F/g。對(duì)于OS-GFET，Dirac點(diǎn)的滯后保持為負(fù)（−0.15到−0.07 V）。此外，隨著離子濃度的增加，OS-GFET的相應(yīng)電容減小（53–16 F/g）。這表明石墨烯-水界面有序取向的水結(jié)構(gòu)逐漸被離子水合團(tuán)簇所取代，導(dǎo)致了電容的差異。用一階Hill方程模擬Dirac點(diǎn)滯后值與離子濃度的關(guān)系，得到半占位值（KCl溶液K=1.0131×10
–4，MgCl2溶液K=6.6237×10
–5）。這也與界面內(nèi)水層中兩種礦物離子水化的差異相一致。這項(xiàng)工作闡明了界面納米尺度排列對(duì)界面電容形成的影響以及對(duì)超級(jí)電容器發(fā)展的布局意義。
圖1. SF-GFET/OS-GFET裝置示意圖和測(cè)量圖。（a） SF-GFET設(shè)備俯視圖。（b） SF-GFET裝置橫截面A–A′方向視圖。（c） SF-GET裝置橫截面B–B′方向的視圖。（d） SF-GFET器件中石墨烯懸浮在微孔陣列上的SEM圖像。（e） SF-GFET器件中懸浮石墨烯（藍(lán)線）和OS-GFET器件中支撐石墨烯（黑線）的拉曼光譜。（f） OS-GFET設(shè)備的俯視圖。（g） OS-GFET設(shè)備橫截面C–C′方向視圖。
圖2. SF-GFET和OS-GFET在1μM KCl電解液中石墨烯輸運(yùn)行為的比較。（a） I
d–V
g曲線（前向掃描SF_ F:SF-GFET；后向掃描SF_B:SF-GFET；前向掃描OS_F:OS-GFET；后向掃描OS_B:OS-GFET）。（b） SF-GFET和OS-GFET的滯后效應(yīng)（ΔV）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（c） SF-GFET實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。（d） OS-GFET實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。
圖3. SF-GFET和OS-GFET在1、10和100μM電解液中石墨烯輸運(yùn)行為的比較。（a） SF-GFET和OS-GFET在KCl水溶液中的滯后效應(yīng)（ΔV）。（b） SF-GFET和OS-GFET在MgCl
2水溶液中的滯后效應(yīng)（ΔV）。
圖4. SF-GFET和OS-GFET在1、10和100μM電解液中石墨烯輸運(yùn)行為的比較。（a） SF-GFET和OS-GFET在KCl水溶液中的最大柵電流。（b） SF-GFET和OS-GFET在MgCl
2水溶液中的最大柵電流。黑色矩形和紅色圓圈分別顯示SF-GFET和OS-GFET的最大柵電流值。
圖5.（a） SF-GFET在KCl和MgCl
2濃度為1μM、10μM、100μM和1 mM的電解液中的恒電壓漏電流。（b）氯化鉀水溶液和氯化鎂水溶液中表面離子的分布。為清楚起見(jiàn)，它僅以離子狀態(tài)表示。
圖6.不同柵極電壓和不同階躍率下GFET的漏電流行為（I
d）和柵電流行為（I
g）：（a）SF-GFET與1μM KCl電解質(zhì)溶液接觸的I
d；（b） OS-GFET與1 mM KCl電解質(zhì)溶液接觸的I
d；（c） SF-GFET與1μM KCl電解質(zhì)溶液接觸的I
g；（d） OS-GFET與1 mM KCl電解質(zhì)溶液接觸的I
g；（e） SF-GFET和OS-GFET在1μM和1 mM KCl水溶液濃度下隨柵極電壓階躍增加的滯后效應(yīng)。
圖7.SF-GFET與1μM KCl電解質(zhì)溶液在不同柵極電壓下的界面演變示意圖。右邊的色條顯示第一個(gè)水層中懸掛的水分子“S”的布居程度。懸水（S）分布在深藍(lán)色時(shí)增強(qiáng)，而在淺藍(lán)色時(shí)減弱。為清楚起見(jiàn)，2D HBN和離子水合簇僅以離子狀態(tài)表示：（a）前向掃描路徑處的V
g=−0.8 V。（b） 前向掃描路徑處的V
g=0 V。（c） V
g=正向掃描路徑處的0.8 V。（d） V
g=反向掃描路徑處的0.8 V。（e） 在后向掃描路徑處，V
g=0 V。（f） V
g=−0.8 V，位于后向掃描路徑。
圖8.SF-GFET和OS-GFET在1μM和1 mM KCl環(huán)境中懸垂分子演化的比較。為清楚起見(jiàn)，2D HBNS和離子水合團(tuán)簇僅以離子狀態(tài)表示：（a）SF-GFET和1μM KCl環(huán)境。（b） OS-GFET具有1μM KCl環(huán)境。（c） SF-GFET具有1 mM KCl環(huán)境。（d） OS-GFET具有1 mM KCl環(huán)境。
圖9.比較了SF-GFET和OS-GFET-GFET在1μM和1 mM KCl環(huán)境中的凈場(chǎng)效應(yīng)電流（ΔI）和界面電容（C）。對(duì)于SF-GFET（疏水表面），凈場(chǎng)效應(yīng)電流（ΔI）很小；相比之下，OS-GFET（親水表面）在柵電壓掃描過(guò)程中表現(xiàn)出峰值電流行為。
相關(guān)研究成果由的臺(tái)灣大學(xué)
Chih-Ting Lin課題組 2025年發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces (鏈接：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
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
