《电子空穴碰撞有限的传输,在电荷中性的双层石墨烯上》

  • 来源专题:纳米科技
  • 编译者: 郭文姣
  • 发布时间:2017-08-11
  • 当电子在没有碰撞的情况下传播,就会产生弹道传输。在低温度下,导体中杂质浓度可以忽略不计,以避免电子声子散射。在这里,我们使用悬浮的双层石墨烯装置来揭示一种新的制度,在这种情况下,弹道传输并不局限于声子或杂质的散射,而是通过电子洞的碰撞。这一现象表现为负的四端电阻,当孔(电子)密度被g移位的(价)带,高于热能的时候,它就会被抑制。对于更小的密度,传输是扩散的,测量的电导率被定量地再现,没有合适的参数,包括电子空穴散射,这是导致速度松弛的唯一过程。在三层装置上进行的实验表明,这种现象是很明显的,电荷中立性的传输是由同样的物理原理来决定的。我们的结果提供了一个教科书上的例子,说明了之前没有观察到的运输制度,并在载体密度不均匀的条件下通过电荷中性石墨烯澄清了传导的性质。他们也证明了运输可以被完全的电子机制所限制,起源于同样的微观过程,它支配着类似于类地等离子体的物理学。

    ——文章发布于2017年8月7日

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    • 编译者:冯瑞华
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    • 电化学双层电容器又称超级电容器,通过电解液离子在高表面积电极表面的可逆吸脱附来储能。由于不涉及氧化还原反应等电荷转移动力学限制,超级电容器可以极高的充放电速率下运行,具有达百万次的良好循环能力,使得它们广泛应用于储能领域。石墨烯理论上可具有550 F/g的比容量,作为超级电容器电极材料备受关注。然而目前石墨烯基材料的性能仍远远低于预期。一方面,石墨烯的量子电容已被证明在双电层电容的建立中起着关键作用;另一方面,界面电化学是决定超级电容器储能性能的关键因素,涉及到离子在电极孔道内的传输扩散、离子在碳表面的吸/脱附等过程。石墨烯-电解液界面动态电荷分离机制仍然未得到良好解决,阻碍了高性能二维或三维石墨烯电极的进一步发展。 石英微晶天平用于原位电化学检测示意图(左),观测到的石墨烯表面离子响应(右) 近日,中国科学技术大学朱彦武课题组提出,低缺陷含量的单层石墨烯可为从理解极化作用下石墨烯界面离子吸附/相互作用提供了一个优良模版:既消除了孔道离子受限效应,又不受大多数多孔碳材料中孔隙或缺陷的影响(National Science Review, 2019; https://academic.oup.com/nsr/advance -article /doi/10.1093/nsr/ nwz140/5569389)。基于此,该课题组联合法国Patrice Simon课题组,采用电化学阻抗谱和电化学石英晶体微量天平系统联用,原位研究了离子液体(EMI-TFSI)电解质在单层石墨烯表面的动力学响应。研究发现,在石墨烯正极化区间,电荷储存受带正电的团簇类离子脱附主导;在负极化区间,石墨烯表面质量变化较小,显示表面离子重排效应。随着施加电势的增加,两种类型的界面响应主导着双电层的变化,导致双电层电容增加。该研究为进一步理解石墨烯-电解液界面结构以及石墨烯双电层储能提供了基础。 研究成果以“Charge Storage Mechanisms of Single Layer Graphene in Ionic Liquid”为题发表在杂志《Journal of the American Chemical Society》。该研究工作得到了自然科学基金基金委、the Agence Nationale de la Recherche、国家留学基金(CSC)项目的支持。