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宏观组装石墨烯纳米膜

诗曰:

“神奇的石墨烯,可咸可甜。

单层石墨烯,透明美艳,但娇嫩欲滴,转移麻烦。

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,似有鸿沟天堑。

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!”


近日,浙江大学高超教授(点击查看介绍)团队首次制备出大面积独立自支撑的具有纳米厚度的高结晶度宏观组装石墨烯膜(macroassembled graphene nanofilms,nMAGs),最大程度保留了石墨烯优异的电学、热学、力学以及及光电子学性质,打开了除单层石墨烯、多层扭转石墨烯、微米级厚度宏观组装石墨烯之外的新研究空间。


以高分散氧化石墨烯(GO)溶液为原料,各种多功能的石墨烯纤维、薄膜和气凝胶已经被陆续组装出来,它们的最小三维尺度都在微米级别以上。在这个尺度下,宏观组装石墨烯材料的电学、热学以及力学等性能相对于完美石墨烯而言差距较大。为了探索石墨烯宏观组装材料结构和性能的关系,需要制备出大面积独立支撑的高结晶度石墨烯纳米薄膜。宏观组装石墨烯纳米膜在一些特定的领域还有望取代具有强电子-声子散射的金属纳米膜,由于该石墨烯纳米级别的厚度能够使其紧密地贴合在基底上,因此在电子和光电子器件领域有着巨大的应用潜力。


到目前为止,已报导的石墨烯纳米膜组装方法都需要固态或者液态基底作为支撑,纳米膜较高的表面能使其对基底具有极强的依赖性。基底的存在使得石墨烯纳米膜不能通过高温还原或者化学掺杂的方式来进行结构和性质的调节。此外,常规的石墨烯纳米膜转移过程经常会引入刻蚀剂和聚合物,这两者都会对样品造成污染。

图1. 宏观组装石墨烯纳米膜照片。


高超教授团队联合其他合作者团队,提出了一种冷缩法制备大面积独立支撑超薄石墨烯纳米膜的方法,规避了常规方法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−1K−1,自加热法测试)、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)等优异综合性能。研究表明,石墨烯纳米膜具有光滑的表面、纳米尺度的厚度(16 – 48 nm)以及良好的厚度均匀性。经过高温处理后,氧官能团完全消失,展现出完美的晶体结构。Raman、XRD、TEM以及STM等表征手段多方面证实了:(1)纳米膜面内晶格完美修复,无明显的原子缺失;(2)面间堆叠结构趋近于石墨结构(层间距0.336 nm),有极少量的乱层结构存在(<5%)。

图2. 石墨烯纳米膜的结构性质表征。


由于石墨烯纳米膜独特的物理化学性质,其在特定应用领域具有超越单层石墨烯以及宏观组装微米厚石墨烯膜的性质。由于其独立支撑的结构、纳米尺度的厚度以及高的结晶性,石墨烯纳米膜可以在低电压下驱动热声器件,提升器件的响应度和响应速度(30 µs)。此外,纳米级的厚度使得石墨烯膜很容易贴附于二氧化硅基底,经过激光加工雕刻成阵列结构,作为等离子激元用于太赫兹生物传感器。将该石墨烯基太赫兹等离子激元传感器用于检测痕量分子浓度,可显著提升检测最低浓度极限(20倍左右)。此方法也可以扩展到其他二维材料以及异质结的的制备,应用于多功能高频电子器件。


这一成果近期发表在Advanced Materials 上,论文第一作者为浙江大学彭蠡博士以及香港城市大学韩英博士,通讯作者为浙江大学方文章博士、香港城市大学陆洋教授、韩国IBS低维碳材料中心Rodney S. Ruoff教授以及浙江大学高超教授。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后基金、浙江省重点研发计划等基金的资助。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Multifunctional Macroassembled Graphene Nanofilms with High Crystallinity

Li Peng, Ying Han, Meihui Wang, Xiaoxue Cao, Junfeng Gao, Yingjun Liu, Xianjue Chen, Bin Wang, Bo Wang, Chongyang Zhu, Xiao Wang, Ke Cao, Ming Huang, Benjamin V. Cunning, Jintao Pang, Wendao Xu, Yibin Ying, Zhen Xu, Wenzhang Fang, Yang Lu, Rodney S. Ruoff, Chao Gao

Adv. Mater.2021. DOI: 10.1002/adma.202104195


高超教授简介


高超,浙江大学求是特聘教授,国家杰出青年基金获得者,国家万人计划创新领军人才,杭州高烯科技有限公司创始人、首席科学家,入选浙江省151人才计划第一层次,浙江省科协第十届委员会委员、常委,浙江大学学术委员会委员,高分子科学研究所所长。主要从事石墨烯化学与组装等方面的研究,发表SCI收录文章200余篇,实现70多项石墨烯相关专利的转让转化。承担国家自然基金委、军科委、科技部等重大重点项目十多项。入选科睿唯安“高被引科学家”,获得首届“钱宝钧纤维材料青年学者奖”、全国优秀博士学位论文等荣誉,研究成果石墨烯气凝胶入选两院院士评选2013年中国十大科技进展新闻,获最轻固态材料吉尼斯世界纪录认证,石墨烯纤维入选Nature 2011年度最具影响力图片。带领团队建成全球首条IGCC认证的单层氧化石墨烯生产线,打通了从石墨到终端康护纺织品全产业链条。


https://www.x-mol.com/university/faculty/73392 


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