近期，程纲教授课题组在基于摩擦纳米发电产生的等离子调控单层石墨烯费米能级方面取得新进展，相关成果以“The Triboelectric Microplasma Transistor of Monolayer Graphene with a Reversible Oxygen Ion Floating Gate”为题，全文在国际著名刊物Nano Energy (IF=16.602, JCR一区)上发表。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105229

单层石墨烯由于其优异的性质被广泛应用于柔性电子器件、灵敏传感器、超级电容器等诸多领域。通过使用表面吸附物产生的浮栅电压调控石墨烯的费米能级是开发新型场效应晶体管的重要策略。但是，在之前的大量研究中，O₂在单层石墨烯的表面无法形成有效化学吸附，对于石墨烯的电学和磁学特性的影响微乎其微。这是由于，O₂作为电子受体，其最低的未占据分子轨道（LUMO）高于石墨烯的费米能级，不能直接从石墨烯的价带获取电子形成O₂^-离子。

在本文中，基于摩擦电等离子的气体离子栅技术，改变O₂分子的吸附路径，从而实现O₂在石墨烯表面快速的化学吸附，报道了使用O₂^-作为可逆浮动离子门的石墨烯晶体管。

在具体实验中，O₂分子首先被摩擦电等离子体技术活化为O₂^-，随即O₂^-吸附在石墨烯上。O₂^-作为负浮栅，可向下移动费米能级并产生p型掺杂石墨烯。可以通过加热消除O₂-的浮栅作用，并通过拟合实验数据得出O₂^-的解析势垒。利用第一性原理计算可知：O₂^-的LUMO能级降低至石墨烯的费米能级以下0.85 eV，从而克服了最初的吸附势垒。本文提出的基于单层石墨烯的O₂浮栅技术可以在大气中进行，不需要昂贵的设备，这在开发基于石墨烯的新型电子和光电器件方面具有潜在的应用。

特种功能材料重点实验室博士研究生赵磊、郭俊猛博士、刘亮亮博士为论文的共同第一作者，程纲教授和杜祖亮教授是本文的共同通讯作者。本工作得到国家自然科学基金委、河南省科技厅和河南大学的经费支持。