當一滴水在石墨烯表面滾動，石墨烯敏銳地“覺察”到了細微的運動，并產生持續(xù)的電流。這奇妙的一幕發(fā)生在浙江大學信息電子工程學院的實驗室，林時勝老師課題組近日發(fā)文闡述這一現象的的奧秘， 明確指出襯底在石墨烯水流感應電壓產生過程中扮演著關鍵角色。這一研究將為開發(fā)新型納米發(fā)電機或石墨烯功能器件提供理論指導。

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，它又能導電，電子在石墨烯中的運動速度達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，科學家就提出了石墨烯水滴發(fā)電的理論設想，但它的科學機理一直存在不同見解。在各自獨立實驗中，報導的電壓結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)，但應用器件開發(fā)仍然進展緩慢。

“由于石墨烯很薄，我們必須靠支撐材料來構建石墨烯器件。但在水滴與石墨烯相互作用機制方面，很少有人關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，基于對襯底的關注，課題組構建了一種石墨烯-壓電薄膜異質器件，以此來探究襯底在石墨烯水流感應電壓產生過程的具體作用。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生壓電電荷，進而在石墨烯的上表面誘導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量級，所以水滴對襯底壓電電荷的屏蔽效應和石墨烯相比會表現的相對遲緩一些，從而能夠引起石墨烯中的一個持續(xù)的載流子移動，實現電流和電壓輸出。

“石墨烯可以對單個電子進行感應，帶電粒子在石墨烯表面的移動可以引起石墨烯內電子的快速移動，實現傳感和發(fā)電過程?！绷謺r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用，比如在雨天可以用涂有石墨烯的雨傘來進行發(fā)電，或者可以做成靈敏的傳感器件等?！斑@一研究提示我們，可以通過設計襯底來實現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SangWoo Kim教授在ACS Nano上合作通訊發(fā)表一篇文章，報導了輸出高達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（先進功能材料）（Adv. Funct. Mater., 27, 1604226 (2017)）上，第一作者為浙江大學信電學院博士生鐘匯凱，信電學院林時勝老師為通訊作者，中國科技大學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)電的有關實際應用。

（周煒）