近日，王胜教授课题组在《Nano Letters》（《纳米快报》）上在线发表了题为“Slow Charge Dynamics at 2D Material/Dielectric Interfaces Revealed by Multimodal Microscopy”（《多模态显微技术揭示二维材料/介质界面的慢电荷动力学》）的研究论文。武汉大学为第一署名单位，物理科学与技术学院2023级博士生曾巍、2025级博士生朱竞一、薛卓为共同第一作者，王胜教授为唯一通讯作者。

二维材料因其原子级厚度和易可调控的电学特性，成为下一代电子与光电子器件的核心候选材料。然而，其超薄结构导致的界面静电敏感性，使得界面电荷俘获及其缓慢衰减动力学，严重制约了相关电子与存储器件的性能与长期稳定性，成为二维电子学实用化的关键瓶颈。目前，对于二维材料/介质界面电荷在长时间尺度下的衰减机制仍缺乏统一理解，其微观物理路径尚不明确。

针对上述机制的理解空白，王胜课题组发展了一种集成导电原子力显微镜、时间分辨开尔文探针显微镜及微区光谱技术的多模态显微平台，实现了对二维材料/介质界面电荷演化的原位、长时、纳米尺度的精准表征。课题组利用导电原子力显微镜探针实现点接触电荷注入，并借助时间分辨开尔文探针力显微镜对界面电势进行长时间原位监测，系统比较了不同极性的电荷注入在不同二维材料（硫化钨与石墨烯）中的慢电荷衰减行为。研究发现，硫化钨中的注入电荷呈现三指数衰减特征，而石墨烯中则为双指数衰减，表明硫化钨的本征缺陷在电荷衰减过程中起到关键作用。进一步分析揭示，电荷衰减可通过三条物理通道共同描述：快速的环境中和通道（两种材料共有）；由材料本征缺陷主导的中速衰减通道（仅存在于硫化钨且具有极性依赖性）；以及由衬底陷阱主导的慢速衰减通道（两种材料共有且具有极性依赖性）。此外，基于缺陷态热激发模型，团队定量提取了二维硫化钨本征缺陷及氧化硅界面陷阱的能级信息，从而构建了二维材料/介质界面电荷衰减的普适物理图像。

图1. 电荷注入单层二维材料后的慢电荷衰减动力学：(a,b) 硫化钨与石墨烯在不同极性电荷注入后的衰减行为对比，硫化钨表现为三指数衰减，石墨烯为双指数衰减，揭示了不同的电荷衰减机制。(c) 二维材料/二氧化硅界面电荷衰减通道示意图，包括环境中和、本征缺陷及衬底陷阱通道。

基于上述对衰减通道的机制理解，研究团队还进一步利用界面工程的调控潜力，通过六方氮化硼封装技术有效抑制了环境与衬底引起的外在衰减通道，在封装石墨烯器件中实现了超过17天的准非易失性电荷存储，展示了通过界面工程调控并显著延长电荷保存时间的可行性。该工作不仅为二维材料界面电荷动力学提供了统一的物理图像和定量分析工具，也为设计高性能、高稳定性的纳米光电器件与存储器件提供了明确的材料与界面工程指导。

该研究得到了国家自然科学基金委重大研究计划重点支持项目和面上项目、武汉市自然科学基金探索计划（晨光计划）项目以及中央高校基本科研业务费等项目的支持。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.5c05741