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Four-Terminal Electrochemistry: A Back-Gate Controls the Electrochemical Potential of a 2D Working Electrode

电极 材料科学 电化学 半导体 光电子学 费米能级 纳米技术 化学 电子 物理 物理化学 量子力学
作者
Yuxin Wang,C. Daniel Frisbie
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:128 (4): 1819-1826 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.3c07198
摘要

We demonstrate that ultrathin semiconductor working electrodes integrated into metal–insulator–semiconductor (MIS) stacks are an enabling platform for understanding non-Faradaic semiconductor electrochemistry. Here, 5 nm thick ZnO electrodes were deposited on 30 nm HfO2 dielectric on a Pd "gate" electrode. Application of a bias VG between the Pd gate and the ZnO electrode causes electrons to accumulate in the ZnO layer as measured by recording the in-plane sheet conductance. By contacting the top surface of the ZnO layer with the electrolyte in a conventional three-electrode electrochemical cell, we show that the gate voltage VG modulates the electrochemical potential VZnO of the ZnO film with respect to a reference electrode. Electrochemical potential changes ΔVZnO up to −1 V vs Ag/Ag+ are achieved for VG = +7 V. Furthermore, by measuring VZnO vs VG, we extract the quantum capacitance CQ of the ZnO film as a function of the Fermi-level position, which provides a direct measure of the ZnO electronic density of states (DOS). Finally, we demonstrate that the gated ZnO working electrodes can disentangle the two principal components of electrochemical potential, namely, the Fermi-level shift Δδ and the double-layer charging energy eΔϕEDL. This disentanglement hinges on a fundamental difference between back-gating and normal electrochemical control, namely, that electrochemical control requires double-layer charging, while back-gate control does not. Collectively, the results show that the backside gate electrode is an effective fourth terminal that enables measurements that are difficult to achieve in conventional three-terminal electrochemical setups.
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