NML封面文章：高迁移率大面积石墨烯纳米膜

成果亮点

以复合氧化石墨烯和聚合物为构建单元，结合“基底替换”策略，完成了大面积、宽厚度范围石墨烯纳米膜的可控制备；

石墨烯纳米膜高的结晶度和厚度赋予了其强的光和物质相互作用（X波段和中红外区域），在电磁屏蔽和中红外探测等领域表现优异。

成果出处

该工作以“Flexible large-area graphene films of 50-600 nm-thickness with high carrier mobility”为题发表在《Nano-Micro Letters》上（Nano-Micro Lett. 15, 61 (2023).DOI:10.1007/s40820-023-01032-6），由浙江大学高超教授团队与杭州国际科创中心彭蠡研究员、深圳大学谢杨苏教授团队，中国科学院王晓教授与杭州高烯科技有限公司合作完成，论文的第一作者为浙江大学博士生罗诗雨。

研究背景

大面积、宽厚度范围、高结晶石墨烯纳米膜的制备尚未实现。目前，常见的石墨烯纳米膜制备方法有两种：化学气相沉积、湿法组装。化学气相沉积策略对生长过程的控制只能改善薄膜制备中的部分问题，例如厚度均匀性、堆叠构象等，至今未有完善的石墨烯纳米膜材料可控制备理论的报道。湿法组装策略在石墨烯纳米膜大面积制备、厚度及均匀性控制、缺陷修复、界面污染等方面有着天然的优势，结合氧化石墨烯二维框架结构及其易改性特征，有望在短时间内实现石墨烯纳米膜的可控制备。

主要内容

该工作以商业化的高烯®单层氧化石墨烯（GO）/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），其横向尺寸~20厘米；厚度范围为50-600nm。PAN的引入，可以降低薄膜和基底的界面能，削弱界面分离对基底材料和结构的依赖性，进而实现水表面张力剥离；高温处理过程PAN可以作为气体逸散通道，促进气体逸散；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 1540cm² V^-1s^-1；电导率，2.04MS m^-1；载流子寿命4.7ps。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（20dB）的材料厚度降低到了100nm；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1.5μm扩展到了4μm。此外，我们通过将200nm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(1581W m^-1 K^-1)。

大面积自支撑石墨烯纳米膜制备

图1 自支撑超薄GO/PAN膜的制备方法

基材替换策略包括四个过程:Mayer-rod涂敷、水辅助界面分离、溶剂替换(乙醇)和粗糙基材上干燥分离。在基板剥离过程中，PAN作为物理交联剂，削弱了界面结合能，保证了水面膜的完整性。该方法规避了传统自下而上方法对纳米膜强度、衬底结构、刻蚀剂和转移剂(污染物)的严格要求。最后得到横向尺寸为20cm的独立自支撑的纳米膜。增加模具尺寸可以得到更大尺寸的GO/PAN纳米膜。基于这种简单、干净的策略，可以在二维材料或聚合物上制备具有大面积和宽厚度的多功能自支撑纳米膜。

基于PAN聚合物气体逸出通道

图2基于PAN原子气体溢出通道

将PAN引入到氧化石墨烯纳米膜的氧化石墨烯层中。PAN衍生物提供了丰富的原子尺度通道，允许气体在完全转变为完整的2D晶格之前的高温处理过程中逸出。PAN的引入使石墨烯纳米膜的厚度从50 nm提高到600 nm，而不产生微气囊从而降低结晶度。

石墨烯纳米膜（nMAG）的结构

图3 nMAG的结构和柔性

经过高温处理后，氧官能团完全消失，石墨烯纳米膜的完美晶体结构得以恢复。通过调节PAN的浓度，可以得到50-600 nm范围结构致密的石墨烯纳米膜。同时氧化石墨烯的二维拓扑模板在高温退火下对PAN的碳化和石墨化过程中具有固体定向效应，帮助形成平行于氧化石墨烯的定向石墨烯层，从而产生较高的结晶度。纳米级厚度与完善的石墨化结构使nMAG具有良好的柔性。

nMAG的电学性能和应用

图4 nMAG的电学性能和应用

高导电率（2.04 MS^-1），高载流子迁移率（1540 cm² V^-1 s^-1）使nMAG在高频电子器件中具有巨大潜力。而4.7 ps的长载流子寿命，让nMAG显示出强烈的光-物质相互作用，使其在光电子器件方面也能加以应用。此外，较稳定的电阻的静态温度系数(0.04-0.36%，10-300 K)保证了nMAG基器件不受温度干扰，稳定运行。作为应用展示，nMAG在厚度100 nm下实现了20 dB的最小商业电磁干扰屏蔽效果。强光热离子(PTI)发射效应使nMAG/硅二极管具有1.8-4μm的宽响应波长。

组装10μm厚mMAG薄膜的导热性能

图5 由200nm nMAG 组装的10μm mMAG的热性能

将GO/PAN纳米膜和PVA纳米层逐层组装成10微米厚的石墨烯薄膜。聚丙烯醇（PVA）在240 ℃下分解，并在随后的高温退火过程中产生微米级通道，用于GO/PAN层的气体逸出。分层通道结构使厚膜具有高取向，几乎不存在褶皱，因此与相同厚度的高温处理后的直接铸造GO/PAN膜和商业PI基石墨薄膜相比，其导热系数更高，达到1581 W m^-1 K^-1。

基金支持

该论文得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金、中央高校基本科研专项基金、浙江省博士后科研项目等基金的资助。