當(dāng)一滴水在石墨烯表面滾動，石墨烯敏銳地“覺察”到了細(xì)微的運動，并產(chǎn)生持續(xù)的電流。這奇妙的一幕發(fā)生在浙江大學(xué)信息電子工程學(xué)院的實驗室，林時勝老師課題組近日發(fā)文闡述這一現(xiàn)象的的奧秘， 明確指出襯底在石墨烯水流感應(yīng)電壓產(chǎn)生過程中扮演著關(guān)鍵角色。這一研究將為開發(fā)新型納米發(fā)電機(jī)或石墨烯功能器件提供理論指導(dǎo)。

    石墨烯是世界上最薄的材料，只有一個原子那么厚（0.3納米，是A4紙張的十萬分之一，頭發(fā)絲的五十萬分之一）。同時，它又能導(dǎo)電，電子在石墨烯中的運動速度達(dá)1000千米/秒，是光速的三百分之一。這些特性賦予了人們很多想象的空間，2011年，科學(xué)家就提出了石墨烯水滴發(fā)電的理論設(shè)想，但它的科學(xué)機(jī)理一直存在不同見解。在各自獨立實驗中，報導(dǎo)的電壓結(jié)果具有十分顯著的差異。近年來，雖說石墨烯的研究熱潮一直持續(xù)，但應(yīng)用器件開發(fā)仍然進(jìn)展緩慢。

    “由于石墨烯很薄，我們必須靠支撐材料來構(gòu)建石墨烯器件。但在水滴與石墨烯相互作用機(jī)制方面，很少有人關(guān)注支撐材料也就是襯底對石墨烯與水相互作用的影響。”林時勝介紹，基于對襯底的關(guān)注，課題組構(gòu)建了一種石墨烯-壓電薄膜異質(zhì)器件，以此來探究襯底在石墨烯水流感應(yīng)電壓產(chǎn)生過程的具體作用。在這一器件中，石墨烯是靠PVDF或LiNbO3等壓電薄膜支撐的。

    一系列實驗及計算表明：水滴的重力會讓襯底表面產(chǎn)生壓電電荷，進(jìn)而在石墨烯的上表面誘導(dǎo)出一層定向排列的水分子或者離子，它們與石墨烯層一起屏蔽了襯底產(chǎn)生的壓電電荷。石墨烯中的電子可以以光速的1/300快速移動，當(dāng)水滴在石墨烯表面移動時，由于水滴中的離子或水分子的運動速度比石墨烯的電子慢幾個數(shù)量級，所以水滴對襯底壓電電荷的屏蔽效應(yīng)和石墨烯相比會表現(xiàn)的相對遲緩一些，從而能夠引起石墨烯中的一個持續(xù)的載流子移動，實現(xiàn)電流和電壓輸出。

    “石墨烯可以對單個電子進(jìn)行感應(yīng)，帶電粒子在石墨烯表面的移動可以引起石墨烯內(nèi)電子的快速移動，實現(xiàn)傳感和發(fā)電過程。”林時勝說，石墨烯的這一特性在能源與電子傳感方面可以有很多應(yīng)用，比如在雨天可以用涂有石墨烯的雨傘來進(jìn)行發(fā)電，或者可以做成靈敏的傳感器件等。“這一研究提示我們，可以通過設(shè)計襯底來實現(xiàn)石墨烯傳感器和石墨烯能源器件。比如，我們已與韓國成均館大學(xué)SangWoo Kim教授在ACS Nano上合作通訊發(fā)表一篇文章，報導(dǎo)了輸出高達(dá)1.1V的石墨烯水滴發(fā)電器件。”

    這一研究2017年2月3日在線發(fā)表在Advanced Functional Materials（先進(jìn)功能材料）（Adv. Funct. Mater., 27, 1604226 （2017））上，第一作者為浙江大學(xué)信電學(xué)院博士生鐘匯凱，信電學(xué)院林時勝老師為通訊作者，中國科技大學(xué)吳恒安教授課題組提供了本文的理論模擬。這一研究第一次提出了石墨烯和襯底整個系統(tǒng)之間的動態(tài)電荷相互作用，拓寬了人們對納米材料中水流感應(yīng)電壓的見解，提供了一種新思路來從水的流動中獲取電能，將推動石墨烯傳感器和能源發(fā)電的有關(guān)實際應(yīng)用。

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