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單層石墨烯由于其優(yōu)異的性質(zhì)被廣泛應(yīng)用于柔性電子器件、靈敏傳感器、超級(jí)電容器等諸多領(lǐng)域。通過使用表面吸附物產(chǎn)生的浮柵電壓調(diào)控石墨烯的費(fèi)米能級(jí)是開發(fā)新型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的重要策略。但是，在之前的大量研究中，O₂在單層石墨烯的表面無法形成有效化學(xué)吸附，對(duì)于石墨烯的電學(xué)和磁學(xué)特性的影響微乎其微。這是由于，O₂作為電子受體，其最低的未占據(jù)分子軌道（LUMO）高于石墨烯的費(fèi)米能級(jí)，不能直接從石墨烯的價(jià)帶獲取電子形成O₂^-離子。

在本文中，基于摩擦電等離子的氣體離子?xùn)偶夹g(shù)，改變O₂分子的吸附路徑，從而實(shí)現(xiàn)O₂在石墨烯表面快速的化學(xué)吸附，報(bào)道了使用O₂^-作為可逆浮動(dòng)離子門的石墨烯晶體管。

在具體實(shí)驗(yàn)中，O₂分子首先被摩擦電等離子體技術(shù)活化為O₂^-，隨即O₂^-吸附在石墨烯上。O₂^-作為負(fù)浮柵，可向下移動(dòng)費(fèi)米能級(jí)并產(chǎn)生p型摻雜石墨烯。可以通過加熱消除O₂-的浮柵作用，并通過擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出O₂^-的解析勢(shì)壘。利用第一性原理計(jì)算可知：O₂^-的LUMO能級(jí)降低至石墨烯的費(fèi)米能級(jí)以下0.85 eV，從而克服了最初的吸附勢(shì)壘。本文提出的基于單層石墨烯的O₂浮柵技術(shù)可以在大氣中進(jìn)行，不需要昂貴的設(shè)備，這在開發(fā)基于石墨烯的新型電子和光電器件方面具有潛在的應(yīng)用。

特種功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生趙磊、郭俊猛博士、劉亮亮博士為論文的共同第一作者，程綱教授和杜祖亮教授是本文的共同通訊作者。本工作得到國家自然科學(xué)基金委、河南省科技廳和河南大學(xué)的經(jīng)費(fèi)支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105229