研究50-600nm厚度的高迁移率、柔性大面积石墨烯薄膜

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背景介绍

石墨烯纳米膜是石墨烯的体相形态之一，其继承了单层石墨烯的原子结构和电子、声子行为特征，同时具有宽的作用截面、长的载流子弛豫时间，是良好的热学、电学以及光电研究平台。目前，石墨烯纳米膜的可控制备尚未实现。本文以氧化石墨烯(GO，杭州高稀科技)/聚丙烯腈(PAN)复合薄膜为前驱体，利用基底替换和协同石墨化策略，制备了大面积、密堆积的组装石墨烯纳米膜(nMAG)(横向尺寸，20cm；厚度范围，50-600 nm)。nMAG具有良好的电学性能：载流子迁移率，1540 cm²V⁻¹ s⁻¹；电导率，2.04 MS m⁻¹；载流子寿命4.7 ps。将其应用于电磁屏蔽，nMAG的高电导率降低了其最低商用厚度(100 nm，20 dB)；将其应用于红外探测，nMAG的强光致热发射效应将石墨烯/硅二极管的响应波长从1.5 μm扩展到了4 μm。此外，作者将nMAG(200 nm)和聚乙烯醇(PVA)层层组装成10 μm厚的石墨烯膜，通过PVA的分解构建nMAG气体逸散通道，抑制气囊的产生、降低组装石墨烯厚膜的褶皱密度，进而提升薄膜导电、导热能力。

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成果掠影

浙江大学高超课题组以氧化石墨烯(GO，28 μm，杭州高稀科技)/聚丙烯腈(PAN)薄膜为前驱体，利用基底替换和协同石墨化策略，制备了大尺寸和紧密堆叠的组装石墨烯纳米膜(nMAG，横向尺寸20 cm，厚度范围50-600 nm)。PAN的引入，可以交联氧化石墨烯、减少复合薄膜和基底的界面作用力，进而消除基底剥离对基底种类、结构及面积的依赖性；在高温二维晶化过程中，PAN可以辅助构建原子级气体逸散通道，促进纳米膜厚度提升；此外，氧化石墨烯可以催化PAN二维结晶，形成完整的石墨烯晶格。nMAG具有良好的电学性能：载流子迁移率，1540 cm²V⁻¹ s⁻¹；电导率，2.04 MS m⁻¹；载流子寿命4.7 ps。将其应用于电磁屏蔽，nMAG的高导电性将其达成商用最小屏蔽效果(20 dB)的材料厚度降低到了100 nm；将其应用于红外探测，强光致热发射(PTI)效应将扩展了石墨烯/硅二极管的响应波长从1.5 μm扩展到了4 μm。此外，作者通过将200 nm厚的nMAG层层组装，降低薄膜气体逸散阻力，进而抑制气囊的产生。所制备10 μm厚的石墨烯薄膜表现出了较低的折皱密度以及高的导热系数(1581 W m⁻¹ K⁻¹)。研究成果以“Flexible Large‑Area Graphene Films of 50–600 nmThickness with High Carrier Mobility”为题发表于《Nano-Micro Letters》。

03图文导读

图1.超薄自支撑GO/PAN薄膜的制备。

图2. 基于PAN原子气体溢出通道。

图3.nMAG的结构和柔性。

图4. nMAG的电学性能和应用。

图5.由200 nm nMAG 组装的10 μm mMAG的热性能。

审核编辑 ：李倩