石墨烯促进柔性和可穿戴电子产品的发展

自2004年发现以来，石墨烯一直被誉为未来的奇妙材料。超薄碳材料是一种非常坚固的热导体和电导体，使其成为改进许多电气设备中使用的半导体芯片的理想组件。

陈轩（史蒂夫）卢检查涂有石墨烯的基板。图片来源：加州理工学院

尽管基于石墨烯的研究已经加速，但纳米材料未能取得如此迅速的进展：具体而言，制造商无法生产大量工业上适用的材料。

来自托马斯·霍根物理学教授Yei-Changh实验室的一项新研究正在支持石墨烯趋势。

在最近的两项研究中，科学家表明，石墨烯可以显着增强可穿戴和柔性电子产品所需的电路，如智能健康贴片，可弯曲的智能手机，头盔，大型折叠显示屏等。

在ACS Applied Materials & Interfaces杂志上报道的一项研究中，科学家们将石墨烯直接生长到通常用于电子产品的薄二维（2D）铜线上。研究结果表明，石墨烯增强了线条的导电特性，并保护铜基结构免受标准磨损。

例如，他们证明了石墨烯涂层的铜结构可以折叠200，000次而不会产生任何变形，而原始铜结构在20，000次折叠后开始开裂。研究结果表明，石墨烯可以帮助形成具有更长使用寿命的可弯曲电子设备。

第二项研究发表在ACS Applied Nano Materials杂志上，表明涂有石墨烯的金可以更好地承受个人身体的汗水，并可用于构建改进的植入式生物传感器。

黄金是用于创建植入式生物传感器或智能贴片的典型组件 – 用于跟踪众多健康状况的纳米级工具。石墨烯使金氧化的速率减慢。

ACS应用材料与接口杂志上报道的第三项研究表明，石墨烯可以保护通过喷墨打印机形成的电路。他们使用该团队的独家技术来种植石墨烯。

2015年，Yeh和她的同时代人，包括高级研究科学家大卫·博伊德（David Boyd），声称他们找到了一种更好，更经济，更环保的方式在材料上种植石墨烯。

这种被称为等离子体增强化学气相沉积的技术可以用于在大约15分钟内在室温下生长高质量的石墨烯片，厚度仅为一个原子。这与其他方法形成鲜明对比，这些方法需要刺激性化学品，更高的温度，并且需要数小时才能完成。

柔性和可穿戴电子产品可以由无法承受高温的聚合物等软材料制成。我们的方法使我们能够在低温下直接在基板上生长石墨烯，从而防止对敏感材料的任何损坏。

卢振轩（MS ’20），加州理工学院研究首席作者和研究生

Yeh解释说，他们的石墨烯生长技术可以扩展以适应工业要求，与可弯曲和可穿戴电子产品以外的一系列其他应用相匹配。

我们的方法与各种基材高度兼容，从微小的纳米结构金属到半导体材料，甚至塑料。由于我们不需要高温，因此这种方法可用于许多应用的不同基板上。

叶乃昌， 托马斯·霍根 加州理工学院物理学教授

粉红色等离子

该团队的石墨烯片生长技术是在他们的地下室实验室进行的。一条发出粉红色的等离子体射线被用来触发甲烷和氢分子的气体，并将它们分解成更小的碎片。

样品（例如2D铜线）浸泡在等离子体中，气体中的碳以厚度为一个原子的薄片沉积到表面上。包含石墨烯的最终表面看起来会更亮。

“由于样品浸入等离子体中，而不需要通过热炉将其加热到约1，000摄氏度，其他方法就是这种情况，因此低温生长变得可行。卢说。

为了测试石墨烯提高电子灵活性的能力，该团队与台湾工业技术研究院（ITRI）的材料和化学研究实验室合作。

加州理工学院的团队开发了石墨烯涂层的铜结构，模仿可弯曲电子产品中使用的材料，然后让他们在ITRI的同事折叠它们;公司拥有连续折叠结构数十万次所需的设备。

“我试过了，但无法站在那里自己折叠这么长的材料，”卢开玩笑说。

几十年来，ITRI在将实验室研究与台湾的工业生产联系起来方面一直发挥着重要作用。在工研院的众多分拆公司中，最著名的例子是台湾积体电路制造公司（TSMC），该公司目前是全球最大和领先的半导体代工厂。

叶乃昌， 托马斯·霍根 加州理工学院物理学教授

在同一项研究中，科学家们还证明，石墨烯除了具有结构柔韧性外，还可以增强铜结构的导电性和化学稳定性。

“我们只在这些薄铜线的顶部放了两层石墨烯原子层，几个月后就看到它们美丽地保持不变。叶说。

第二项研究验证了石墨烯是否可以保护植入式生物传感器中使用的金结构的耐久性。该团队在金上生长石墨烯，然后将材料置于盐水液体中以模拟汗水。

结果显示，石墨烯涂层结构在相当于正常人体温度下一个月左右的条件下保持完整，比仅使用黄金所能达到的时间长得多。

当我第一次开始使用石墨烯时，我并没有意识到它的全部潜力。但后来我意识到它如何与其他材料一起用于如此多的应用。我的室友[合著者匡明（艾伦）尚]和我正在喝波巴茶时，我们意识到我们可以测试石墨烯是否可以保护黄金免受汗水的腐蚀作用。

卢振轩（MS ’20），加州理工学院研究首席作者和研究生

石墨烯的下一步是什么？

尽管石墨烯进入电子产品的时间比最初预测的要长，但它的未来似乎一片光明。除了石墨烯在可穿戴和可弯曲电子产品中的应用外，Yeh还在仔细研究石墨烯在从光通信和能源研究到环保电池等各个方面的潜力。

此外，Yeh补充说，石墨烯对于纳米电子学不断增长的领域至关重要，该领域旨在开发目前广泛使用的电子产品的较小模型。石墨烯可以与硅一起使用，将器件缩小到极小的尺寸。

“石墨烯与其他材料结合使用时，可以使我们的纳米技术更小，更快。它能降低散热和能耗。在我们的实验室中，我们使用石墨烯做很多事情。这很令人兴奋，“她说。

期刊参考文献

1. Lu, C-H., et al. (2022) Polymer-Compatible Low-Temperature Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition of Graphene on Electroplated Cu for Flexible Hybrid Electronics. ACS Applied Materials & Interfaces. doi.org/10.1021/acsami.1c11510.
2. Lu, C-H., et al. (2022) Graphene on Nanoscale-Thick Au Films: Implications for Anticorrosion in Smart Wearable Electronics. ACS Applied Nano Materials. doi.org/10.1021/acsanm.2c00401.
3. Lu, C-H., et al. (2022) Single-Step Direct Growth of Graphene on Cu Ink toward Flexible Hybrid Electronic Applications by Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition. ACS Applied Materials & Interfaces. doi.org/10.1021/acsami.0c22207.