Electrochemistry at Back-Gated, Ultrathin ZnO Electrodes: Field-Effect Modulation of Heterogeneous Electron Transfer Rate Constants by 30× with Enhanced Gate Capacitance

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作者
Yuxin Wang,Yan Wang,C. Daniel Frisbie
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (7): 9554-9562 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acsami.2c18549
摘要

We report steady-state voltammetry of outer-sphere redox species at back-gated ultrathin ZnO working electrodes in order to determine electron transfer rate constants kET as a function of independently controlled gate bias, VG. We demonstrate that kET can be modulated as much as 30-fold by application of VG ≤ 8 V. The key to this demonstration was integrating the ultrathin (5 nm) ZnO on a high dielectric constant (k) insulator, HfO2 (30 nm), which was grown on a Pd metal gate. The high-k HfO2 dramatically decreased the required VG values and increased the gate-induced charge in ZnO compared to previous studies. Importantly, the enhanced gating power of the Pd/HfO2/ZnO stack meant it was possible to observe a nonmonotonic dependence of kET on VG, which reflects the inherent density of redox acceptor states in solution. This work adds to the growing body of literature demonstrating that electrochemical kinetics (i.e., rate constants and overpotentials) at ultrathin working electrodes can be tuned by VG, independent of the conventional electrochemical working electrode potential.
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