Redox-governed charge doping dictated by interfacial diffusion in two-dimensional materials

 

Kwanghee Park^#, Haneul Kang^#, Seonghyun Koo, DaeEung Lee, and Sunmin Ryu* (^#equal contribution)

 

대기 조건에서 일어나는 이차원 결정의 자발적인 전하 전달 반응을 연구하는 것은 물질의 전기, 전자, 자기 및 광학적 물성 제어를 위한 원리 이해와 소자 기술 개발을 위해서 필수적인 일이다. 본 연구에서는 실시간 형광 이미징과 라만 분광법을 이용하여 대기 중 이황화텅스텐(WS₂)과 그래핀의 전하 전달 반응을 고찰하였다. 실시간 형광 이미징을 이용해 친수성 기판과의 계면에서 일어나는 분자의 확산을 관찰하였으며, 다양한 기체 환경에서의 비교를 통해서 해당 반응이 물과 산소에 의한 전기화학적 산화환원에 의한 전하 전달 반응임을 규명하였다. 염산과 같은 산성 용액에서도 동일한 메커니즘을 따르며 용존산소의 농도와 pH를 이용해서 반응이 제어되는 것을 확인하였다. 본 결과는 2019년 10월 30일 Nature Communications에 게재되었다.

Controlling extra charge carriers is pivotal in manipulating electronic, optical, and magnetic properties of various two-dimensional materials. Nonetheless, the ubiquitous hole doping of two-dimensional materials in the air and acids has been controversial in its mechanistic details. Here we show their common origin is an electrochemical reaction driven by redox couples of oxygen and water molecules. Using real-time photoluminescence imaging of WS2 and Raman spectroscopy of graphene, we capture molecular diffusion through the two-dimensional nanoscopic space between two-dimensional materials and hydrophilic substrates, and show that the latter accommodate water molecules also serving as a hydrating solvent. We also demonstrate that HCl-induced doping is governed by dissolved O2 and pH in accordance with the Nernst equation. The nanoscopic electrochemistry anatomized in this work sets an ambient limit to material properties, which is universal to not only 2D but also other forms of materials.

https://www.nature.com/articles/s41467-019-12819-w