石墨烯具有高电子迁移率、高稳定性、高透光性以及柔性的特点，在下一代电子学技术的发展中备受关注。然而石墨烯是零能隙的半金属，使得传统石墨烯晶体管的开关比很小，能量损耗较大。利用氢化反应将石墨烯转化为含有sp³成键的氢化石墨烯，是打开能隙的方法之一，理论上在完全氢化的情况下能隙可以达到3.5eV。但由于石墨烯化学稳定性，氢化反应通常需要较活性较高的氢原子或氢等离子体参与反应，并且脱氢化反应需要加热退火的方式才能实现，这些都限制了氢化反应控制石墨烯场效应管的应用。

近期，物理系张金松、王亚愚和段文晖课题组通过电场调控的可逆氢化反应方法，率先使用了一种新型的溶解氢离子的有机电解液，在微米尺度的单层石墨烯中实现了从导体到绝缘体的快速可逆转变。

图1：(a)溶解氢离子的有机电解液调控石墨烯的器件及电测量线路示意图。(b)石墨烯晶格（蓝色）与氢离子（红色）之间氢化过程图解。(c)在室温25度时，连续三个测量循环得到的器件源极与漏极之间的电流（I_DS）随栅压（V_G）的变化曲线。(d)单层石墨烯在不同栅压（V_G）下对应的拉曼光谱。右侧标签中不同V_G对应的I_DS在图(c)中通过相同颜色的实心点和圈内数字表示。

器件结构和转移特性曲线如图1所示，当栅极电压V_G超过氢化反应电位时（~1.7V），石墨烯晶格变得高度活化，氢离子不断与碳原子形成化学键。随着大量sp³杂化的碳氢键在石墨烯中产生，石墨烯的输运带隙增大，源漏电流（I_DS）急剧下降至接近于零，并持续保持这种截断的状态至V_G=4.0V。当V_G逐渐降低到0.2V，I_DS开始缓慢增加，直到-1.0V时，I_DS完全恢复到初始开态的电流大小。此时的单层石墨烯完全退氢化，氢原子离开，碳碳键回到最初的sp²杂化。随后V_G继续在-1.0V和2.2V之间来回扫描两个周期，得到几乎一致的三个周期I_DS随V_G的变化曲线。

图2：(a)示波器同时测量单层石墨烯器件的源极与漏极之间电压（V_DS，黑线）和栅压（V_G，红线）上由信号发生器产生的方波。当V_G在-0.5V和2.4V电压间周期翻转时，V_DS在外加电压为0.5V的分压电路中快速切换分压值（0-0.5V）。(b)经过28小时，器件经历100万次开关后源极与漏极之间电压（V_DS，黑线）随栅压（V_G，红线）的变化曲线。测量方法与图(a)相同。(c-d)单层石墨烯器件的开关响应时间。从开态到关态，V_DS从10%上升至90%经过的时间为0.4ms。从关态到开态，V_DS从90%降低至10%经过的时间为0.13ms。其中栅压V_G从-1V到2.6V的转变时间为1ms，图(d)中的蓝色虚线是V_DS的外推曲线。

完全氢化的单层石墨烯在室温的电阻超过200GW/sq，电流开关比大于1×10⁸。同时场效应管器件具有很高的耐久度，在开关100万次后，依然能正常工作。进一步研究器件的响应速度，我们发现当栅极电压（V_G）从-1.0V上升至2.6V，器件在分压电路中的分压V_DS上升时间（10%-90%）为0.4ms，延迟时间为2.2ms（包含V_G上升时间1ms）。器件响应速度主要取决于V_G的正电压大小以及石墨烯通道的尺寸大小。当V_G从2.6V切换到-1.0V时，由于化学场效应晶体管中寄生电容影响了测量信号，我们假设开关曲线遵循V_DS的趋势，估计下降时间（90%-10%）为0.13ms左右，远低于上升时间。

不仅如此，研究团队在双层石墨烯中也观察到类似的绝缘行为，而三层石墨烯在氢化后仍然具有很高的导电性。石墨烯发生氢化反应后，发生的晶格变化以及sp²键向sp³键转变都在原位拉曼光谱测量和第一性原理计算中被证实。

该工作利用了氢离子调控方法，在室温下实现了石墨烯超大输运带隙的可逆调控，场效应管的电流开关比达到了10⁸，同时保持了器件的超高稳定性（100万次开关寿命）。相关研究成果以“Large transport gap modulation in graphene via electric-field-controlled reversible hydrogenation”为题发表在2021年3月15日的Nature Electronics上（https://dx.doi.org/10.1038/s41928-021-00548-2）。清华大学物理系张金松副教授和王亚愚教授为该论文通讯作者。物理系博士生李绍锐、李佳恒和北京未来芯片技术高精尖创新中心王永超为论文的共同第一作者。该项工作得到国家自然科学基金委、科技部重点研发计划和北京未来芯片技术高精尖创新中心的支持。