Tunable angle-dependent electrochemistry at twisted bilayer graphene with moiré flat bands

云纹 化学 电化学 双层石墨烯 石墨烯 化学物理 双层 光学 纳米技术 材料科学 光电子学 电极 物理 物理化学 生物化学
作者
Yun Yu,Kaidi Zhang,Holden Parks,Mohammad Babar,Stephen Carr,Isaac M. Craig,Madeline Van Winkle,Artur Lyssenko,Takashi Taniguchi,Kenji Watanabe,Venkatasubramanian Viswanathan,D. Kwabena Bediako
出处
期刊:Nature Chemistry [Nature Portfolio]
卷期号:14 (3): 267-273 被引量:84
标识
DOI:10.1038/s41557-021-00865-1
摘要

Tailoring electron transfer dynamics across solid–liquid interfaces is fundamental to the interconversion of electrical and chemical energy. Stacking atomically thin layers with a small azimuthal misorientation to produce moiré superlattices enables the controlled engineering of electronic band structures and the formation of extremely flat electronic bands. Here, we report a strong twist-angle dependence of heterogeneous charge transfer kinetics at twisted bilayer graphene electrodes with the greatest enhancement observed near the ‘magic angle’ (~1.1°). This effect is driven by the angle-dependent tuning of moiré-derived flat bands that modulate electron transfer processes with the solution-phase redox couple. Combined experimental and computational analysis reveals that the variation in electrochemical activity with moiré angle is controlled by a structural relaxation of the moiré superlattice at twist angles of <2°, and ‘topological defect’ AA stacking regions, where flat bands are localized, produce a large anomalous local electrochemical enhancement that cannot be accounted for by the elevated local density of states alone. Controlling the crystallographic registry of layered materials through interlayer twist angles has introduced a distinctive degree of freedom for tuning their electronic behaviour. Now, the interfacial electrochemical kinetics of solution-phase redox complexes at twisted bilayer graphene electrodes have been modulated by the angle-dependent tuning of moiré-derived flat bands.
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