[论文解读] Heterointerface effects in the electro-intercalation of van der Waals heterostructures

D. Kwabena Bediako, Mehdi Rezaee+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2017

Graphene research and applications参考文献 28被引用 8

一句话总结

本研究证明，在范德华（vdW）异质结中，特别是石墨烯与二硫化钼（MoX2）之间的界面，相较于同质界面，电化学插层过程中的电荷积累可提升超过10倍，且插层电势比体相MoX2更负至少0.5 V。通过原位磁阻测量、光学光谱分析以及低温量子振荡技术，作者在原子尺度界面水平上解析了插层行为，揭示了界面工程作为调控二维材料电化学行为以用于能量存储和（光）电学应用的强大工具。

ABSTRACT

Molecular-scale manipulation of electronic/ionic charge accumulation in materials is a preeminent challenge, particularly in electrochemical energy storage. Layered van der Waals (vdW) crystals exemplify a diverse family of materials that permit ions to reversibly associate with a host atomic lattice by intercalation into interlamellar gaps. Motivated principally by the search for high-capacity battery anodes, ion intercalation in composite materials is a subject of intense study. Yet the precise role and ability of heterolayers to modify intercalation reactions remains elusive. Previous studies of vdW hybrids represented ensemble measurements at macroscopic films/powders, which do not permit the isolation and investigation of the chemistry at individual 2-dimensional (2D) interfaces. Here, we demonstrate the intercalation of lithium at the level of individual atomic interfaces of dissimilar vdW layers. Electrochemical devices based on vdW heterostructures comprised of deterministically stacked hexagonal boron nitride, graphene (G) and molybdenum dichalcogenide (MoX2; X = S, Se) layers are fabricated, enabling the direct resolution of intermediate stages in the intercalation of discrete heterointerfaces and the extent of charge transfer to individual layers. Operando magnetoresistance and optical spectroscopy coupled with low-temperature quantum magneto-oscillation measurements show that the creation of intimate vdW heterointerfaces between G and MoX2 engenders over 10-fold accumulation of charge in MoX2 compared to MoX2/MoX2 homointerfaces, while enforcing a more negative intercalation potential than that of bulk MoX2 by at least 0.5 V. Beyond energy storage, our new combined experimental and computational methodology to manipulate and characterize the electrochemical behavior of layered systems opens up new pathways to control the charge density in 2D (opto)electronic devices.

研究动机与目标

• 研究不同二维范德华材料之间的异质界面如何影响电化学插层行为。
• 分离并表征单个原子界面处的插层过程，克服传统体相或平均化测量方法的局限性。
• 确定石墨烯与MoX2（X = S, Se）界面工程如何改变电荷转移与插层电势。
• 发展一种结合实验与计算的方法论，用于探测和调控二维异质结中的电化学行为。

提出的方法

• 利用机械剥离的六方氮化硼、石墨烯和MoX2薄层制备确定性的vdW异质结结构。
• 采用原位磁阻测量与光学光谱技术，实时监测电化学插层过程中的电荷积累与电子响应。
• 利用低温量子磁阻振荡测量，提取界面处载流子密度与迁移率的变化。
• 在相同条件下，对比异质界面（G/MoX2）与同质界面（MoX2/MoX2）的电化学行为。
• 应用计算建模以支持并解释实验观测到的界面电荷转移与离子插入能垒行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯与MoX2之间形成异质界面后，对MoX2中锂离子插层程度及电荷积累有何影响？
• RQ2 与体相MoX2或MoX2/MoX2同质界面相比，G/MoX2异质界面的插层电势发生了多大程度的偏移？
• RQ3 在原子尺度上，界面工程在多大程度上可调控二维范德华异质结中的离子与电子输运行为？
• RQ4 在电化学插层过程中，异质界面与同质界面的量子振荡与磁阻响应有何差异？

主要发现

• 在相同电化学条件下，G/MoX2异质界面使MoX2的电荷积累量比MoX2/MoX2同质界面高出超过10倍。
• G/MoX2异质界面的插层电势比体相MoX2更负至少0.5 V，表明离子插入的热力学驱动力显著增强。
• 原位磁阻测量与量子振荡分析证实，异质界面处插层后MoX2的载流子密度与迁移率显著提高。
• 光学光谱分析揭示了G/MoX2界面特有的电子跃迁行为与电荷转移动力学，表明界面间存在强耦合效应。
• 实验与计算框架实现了对单个二维界面处电化学插层过程中间态的直接、原子尺度分辨率解析。