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單層石墨烯由于其優異的性質被廣泛應用于柔性電子器件、靈敏傳感器、超級電容器等諸多領域。通過使用表面吸附物產生的浮柵電壓調控石墨烯的費米能級是開發新型場效應晶體管的重要策略。但是，在之前的大量研究中，O₂在單層石墨烯的表面無法形成有效化學吸附，對于石墨烯的電學和磁學特性的影響微乎其微。這是由于，O₂作為電子受體，其最低的未占據分子軌道（LUMO）高于石墨烯的費米能級，不能直接從石墨烯的價帶獲取電子形成O₂^-離子。

在本文中，基于摩擦電等離子的氣體離子柵技術，改變O₂分子的吸附路徑，從而實現O₂在石墨烯表面快速的化學吸附，報道了使用O₂^-作為可逆浮動離子門的石墨烯晶體管。

在具體實驗中，O₂分子首先被摩擦電等離子體技術活化為O₂^-，隨即O₂^-吸附在石墨烯上。O₂^-作為負浮柵，可向下移動費米能級并產生p型摻雜石墨烯。可以通過加熱消除O₂-的浮柵作用，并通過擬合實驗數據得出O₂^-的解析勢壘。利用第一性原理計算可知：O₂^-的LUMO能級降低至石墨烯的費米能級以下0.85 eV，從而克服了最初的吸附勢壘。本文提出的基于單層石墨烯的O₂浮柵技術可以在大氣中進行，不需要昂貴的設備，這在開發基于石墨烯的新型電子和光電器件方面具有潛在的應用。

特種功能材料重點實驗室博士研究生趙磊、郭俊猛博士、劉亮亮博士為論文的共同第一作者，程綱教授和杜祖亮教授是本文的共同通訊作者。本工作得到國家自然科學基金委、河南省科技廳和河南大學的經費支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105229