浙大超群等《AM》：初次造备出大面积可独立自支持的纳米厚度高结晶度微观组拆石墨烯膜

工 作 亮 点

初次制备出大面积可独立自支持的纳米厚度高结晶度宏观组装石墨烯膜，最大水平保存了石墨烯优秀的电学、热学及光电子性能，打开了除单层石墨烯、多层旋转石墨烯、微米级厚度宏观组装石墨烯之外的新研究空间。

成 果 出 处

该事情以“Multifunctional macro-assembled graphene nanofilms with high crystallinity”为题颁发在《Advanced Materials》上（DOI: 10.1002/adma.202104195），由浙江大学超群传授团队与韩国Ruoff传授、香港都会大学陆洋传授等团队互助完成。

研 究 背 景

奇妙的石墨烯，可咸可甜。

单层石墨烯，透亮美艳，但柔嫩欲滴，转移贫苦。

微米厚度的宏观组装石墨烯，皮实，但性能离单层石墨烯差距太远。

在单层与宏观之间，似有边界每天堑。

怎么办？

纳米厚度宏观组装膜，似可架起一座桥，将二者连成一线！

以溶液疏散的氧化石墨烯为质料，种种多功效的石墨烯纤维、薄膜和睦凝胶已经被连续组装出来，他们的最小三维标准都在微米级别以上。在这个标准下，宏观组装石墨烯质料的电学、热学以及力学等性能相对付完善石墨烯而言差距较大。为了探究石墨烯宏观组装质料布局和性能的干系，必要制备出大面积独立支持的高结晶石墨烯纳米薄膜。组装石墨烯纳米膜在一些特定的范畴另有望代替具有强电子-声子散射的金属纳米膜，因为纳米级另外厚度可以或许使其精密地贴合在多种基底上，是以在电子和光电子器件范畴有着庞大的应用潜力。

到现在为止，已报导的石墨烯纳米膜组装要领都必要固态大概液态基底作为支持，较高的外貌能使其对基底具有极强的依靠性。基底的存在使得石墨烯纳米膜不克不及通过高温还原大概化学掺杂的方法来举行布局和性子的调治。别的，通例的石墨烯纳米膜转移历程每每会引入刻蚀剂和聚合物，这两者都市对样品造成污染。

主 要 内 容

该事情提出了一种冷缩法制备大面积独立支持超薄石墨烯纳米膜的要领，躲避了通例要领中聚合物和金属盐的污染。所制备的高结晶石墨烯纳米膜具有高导热（2820 − 2027 W m−1 K−1，自加热法）、高导电（1.8 − 2 MS/m）、高拉伸强度（5.5 − 11.3 GPa）、长载流子寿命（23 ps）等优秀综合性能。所制备的石墨烯纳米膜在特定应用范畴具有逾越单层石墨烯以及宏观组装微米厚石墨烯膜的性子，可用于热声器件，提拔器件的相应度和相应速率（30 µs）；可用于太赫兹等离子激元检测痕量分子浓度，明显提拔检测最低浓度极限（20倍左右）。此要领也可以扩展到其他二维质料以及异质结的的制备，应用于多功效高频电子器件。

宏观组装石墨烯纳米膜制备要领

图1 石墨烯纳米膜的制备要领表示图。

作者进展了一种樟脑帮助的冷缩剥离要领，制备了独立支持的大面积（直径4.2 cm）纳米膜，厚度在16到48nm范畴内可控 （图1）。用樟脑替换了传统聚合物，幸免了转移历程中残留聚合物的污染；樟脑同时负担界面剥离的作用，躲避了金属盐的污染。此要领乐成的条件条件有以下三点：

其一，刚性的抽滤基底，可以耐受转移剂的剥离而不产生显着形变（此事情选用阳极氧化铝多孔滤膜）。

其二，室温易升华的转移剂，可以在加热状态下升华并沉积到氧化石墨烯纳米膜外貌；在后续转移到冷氛围的历程中，多晶樟脑薄膜产生冷缩，将氧化石墨烯纳米膜抓取下来。

其三，氢碘酸蒸汽还原，有助于纳米膜的剥离历程。气相还原历程中，氧化石墨烯的还原黑白对称的，还原历程中会对纳米膜外貌形成剥离的张力；同时气体分子在界面处的渗入渗出会低落石墨烯和基底的相互作用力。两者相互促进，终极极大水平地减弱界面作用，淘汰基底对石墨烯膜的粘附作用。

石墨烯纳米膜的布局

图2. 石墨烯纳米膜以及厚度布局表征。

图2展示了纳米膜平滑的外貌、纳米标准的厚度（16-48nm）以及精良的厚度匀称性。颠末高温处置惩罚后，氧官能团完全消逝，石墨烯纳米膜的完善晶体布局得以规复。Raman、XRD、TEM以及STM等表征本领多方面证明了：（1）纳米膜面内晶格完善修复，无显着的原子缺失；（2）面间堆叠布局趋近于石墨布局（层间距0.336nm），有少少量的乱层布局存在（<5%）。

石墨烯纳米膜的力学举动

图3. 纳米膜的力学举动和模仿效果。

在微米标准下，高结晶的石墨烯纳米膜展示出优秀的力学举动，最优的强度到达了11.3 GPa，断裂伸长率在4%以上（图3）。颠末扫描电镜观看，石墨烯纳米膜内部存在单层石墨烯褶皱，这是氧化石墨烯在成膜历程中天然形成的。褶皱在拉伸历程中充任了应力会合点，限定了力学强度的进一步提拔。但同时，其在应力作用下很简单被睁开大概在断裂处被抽出，籍此增添了石墨烯纳米膜的断裂伸长率。

石墨烯纳米膜的根本性子及应用

图4. 石墨烯纳米膜的底子物理性子及其应用。

密聚集的宏观布局以及高结晶的微观布局给予了石墨烯纳米膜极好的导热导电性能，自加热法丈量的纳米膜导热介于2820 − 2027 W m⁻¹K⁻1 之间，电导率介于1.81.8 − 2 MS/m，最高载流子迁徙率到达1770 cm²V⁻¹s⁻¹，且载流子寿命到达了23 ps。纳米膜独立支持的布局、纳米标准的厚度以及高的结晶性使得其可以在低电压下驱动热声器件，相对付有基底的热声器件而言，其声压有了显着提拔。值得一提的是，器件的相应速率相对付已报道质料而言，提拔了一倍左右，到达了30 µs，速率的提拔可以极大的扩展声波信息的加载量。别的，石墨烯纳米膜的纳米厚度使得其可以贴附于二氧化硅基底，并可被激光加工成阵列布局，作为等离子激元用于太赫兹生物传感器。碳质料对生物分子的强相互作用，使得分子检测程度到达了0.01 ppm，约莫是金属的二非常之一。且其高的载流子寿命，使得超外貌具有必然的光相应，在0.159 W mm⁻2 强度绿光辐照下，超外貌的反射进步了8.2%8.2%。

该事情得到了国度重点研发打算、国度天然科学基金、中国博士后基金、浙江省重点研发打算等基金的资助。论文第一作者为浙江大学博士后彭蠡博士以及香港都会大学韩英博士，通讯作者为浙江大学博士后方文章博士、香港都会大学陆洋传授、韩国IBS低维碳质料中间Rodney S. Ruoff传授以及浙江大学超群传授。

泉源：纳米高分子超群课题组

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