《Small》：Direct Write, Read, and Erase of a Vertical Heterostructure of Graphene–Monolayer Electrolyte–h-BN Using Electric Force Microscopy
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这篇研究展示了在二维材料垂直异质结（石墨烯/单层电解质/六方氮化硼）中，利用电场力显微镜（EFM）进行纳米级电荷写入、读取和擦除。该单层电解质具有双稳态特性，能将离子锁定在异质结内，从而实现对顶层石墨烯的非易失性n型掺杂，诱导高达5×1012cm?2的面电荷密度并保持25分钟。这项工作为开发新型可重构垂直结和纳米级离子门控器件提供了新思路。
引言
二维晶体因其独特的电学、磁学、力学和光学特性而备受关注。离子门控，特别是使用聚合物电解质或离子液体，可以高效调控二维材料的电荷密度。然而，传统的电解质通常沉积在二维材料表面，只能有效调控与之直接接触的顶层材料，且通常具有挥发性，即撤去栅压后掺杂态消失。此外，它们难以集成到垂直异质结的内部。本研究提出了一种新策略：将一种分子级厚度的单层电解质（Monolayer Electrolyte, ME）夹在多层石墨烯（G）和六方氮化硼（h-BN）之间，构成G/ME/h-BN垂直异质结。这种单层电解质基于钴酞菁与冠醚分子（CoCrPc），能可逆地捕获和固定锂离子（Li+），表现出双稳态特性。离子可在电场作用下移动到靠近顶部石墨烯或底部h-BN的位置，并在撤去电压后保持状态，从而实现非易失性掺杂。
结果与讨论
研究首先详细介绍了异质结的制备过程。通过机械剥离将h-BN置于p型硅衬底上，然后滴铸并退火形成CoCrPc单层，再加入LiClO4形成单层电解质，最后用干法转移技术覆盖多层石墨烯完成堆叠。原子力显微镜（AFM）形貌扫描确认了单层电解质的厚度约为1纳米。
核心实验利用电场力显微镜（EFM）进行。EFM采用双程扫描模式：在正向扫描时，导电AFM探针（电极2）接触石墨烯表面施加写入（Vwrite）或擦除（Verase）电压；在反向扫描时，探针抬升20纳米高度，施加读取偏压（Vread）以非接触方式探测表面电荷引起的相位偏移，从而“读取”状态。
研究结果表明：
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写入与擦除操作：当施加负向写入电压（如-4 V）时，Li+被驱动靠近石墨烯界面，形成双电层（EDL），使石墨烯呈现更强的n型掺杂。EFM相位偏移向负方向移动约35°，表明探针与石墨烯表面吸引力增强，且该状态在撤压后仍能保持。随后施加正向擦除电压（如+4 V）可将离子推离石墨烯，使相位偏移部分恢复（正向移动约30°），但擦除效率低于写入，表明从石墨烯侧移走离子需要克服更高的能量势垒。
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控制实验对比：在未添加单层电解质的石墨烯/h-BN对照组中，施加±3 V电压仅引起小于3°的相位偏移，且变化是易失性的，证实了观察到的非易失性效应源于单层电解质。
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电荷密度量化：通过相位偏移数据估算，单层电解质在-4 V写入偏压下，可在石墨烯中诱导约5×1012cm-2的电荷密度变化，与基于CoCrPc分子几何堆积密度的理论最大值（6.25×1012cm-2）以及此前基于场效应晶体管（FET）的测量结果吻合。
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状态保持（Retention）特性：在完成写入后，即使使用较低的保持电压（-0.3 V）进行后续扫描，超过5×1012cm-2的电荷密度增量在约25分钟后依然得以保持，证明了其良好的非易失性。
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空间分辨率与稳定性：EFM实现了12×12纳米的空间分辨率映射。单层电解质的存在还将异质结所能承受的最大电场强度从0.2-0.3 V/nm（对照组）提升至0.3-0.38 V/nm，扩展了工作电压窗口，这可能得益于电解质分子1.34 eV的带隙及其引入的局域电荷对电场的屏蔽作用。
结论
本研究成功证明，嵌入二维材料垂直异质结内部的单层电解质，能够利用其离子双稳态特性，实现对顶层石墨烯的非易失性电学掺杂。这项技术通过纳米尺度的EFM探针实现了电荷状态的“直接写入、读取与擦除”，为开发基于分子态编码的可重构垂直结、可调层间隧穿器件以及纳米级突触晶体管等新型电子器件提供了重要的原理验证和实现途径。
实验方法
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单层电解质沉积与异质结制备：在氩气手套箱内，将CoCrPc溶液滴铸到剥离的h-BN上并退火，接着滴铸LiClO4溶液，保持CoCrPc与Li+的摩尔比为1:1，最后用于法转移技术覆盖石墨烯。
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EFM直接写入、读取与擦除：使用导电AFM探针，在手套箱内采用双程扫描技术进行测量。正向扫描（接触模式）用于施加写入/擦除电压，反向扫描（抬升模式）用于读取表面电势。
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状态保持测量：通过对比不同时间间隔、在低保持电压下扫描获得的相位偏移分布，来评估写入状态的保持能力。
