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The First-Water-Layer Evolution at the Graphene/Water Interface under Different Electro-Modulated Hydrophilic Conditions Observed by Suspended/Supported Field-Effect-Device Architectures

石墨烯 材料科学 化学物理 磁滞 氧化物 纳米技术 分子 基质(水族馆) 图层(电子) 凝聚态物理 海洋学 物理 化学 有机化学 地质学 冶金
作者
Ming-Hsiu Tsai,Yuxuan Lu,Cheng‐Yu Lin,Cheng‐Yu Lin,Chun-Hsuan Lin,Chun-Hsuan Lin,Chien-Chun Wang,Che‐Men Chu,Wei-Yen Woon,Chih‐Ting Lin,Chih‐Ting Lin
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (13): 17019-17028 被引量:11
标识
DOI:10.1021/acsami.3c00037
摘要

Interfacial water molecules affect carrier transportation within graphene and related applications. Without proper tools, however, most of the previous works focus on simulation modeling rather than experimental validation. To overcome this obstacle, a series of graphene field-effect transistors (GFETs) with suspended (substrate-free, SF) and supported (oxide-supported, OS) configurations are developed to investigate the graphene–water interface under different hydrophilic conditions. With deionized water environments, in our experiments, the electrical transportation behaviors of the graphene mainly originate from the evolution of the interfacial water-molecule arrangement. Also, these current–voltage behaviors can be used to elucidate the first-water layer at the graphene–water interface. For SF-GFET, our experimental results show positive hysteresis in electrical transportation. These imply highly ordered interfacial water molecules with a separated-ionic distributed structure. For OS-GFET, on the contrary, the negative hysteresis shows the formation of the hydrogen-bond interaction between the interfacial water layer and the SiO2 substrate under the graphene. This interaction further promotes current conduction through the graphene/water interface. In addition, the net current–voltage relationship also indicates the energy required to change the orientation of the first-layer water molecules during electro-potential change. Therefore, our work gives an insight into graphene–water interfacial evolution with field-effect modulation. Furthermore, this experimental architecture also paves the way for investigating 2D solid–liquid interfacial features.

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