成果简介
铜（Cu）电极的原子厚防腐涂层对于半导体工业的微型化至关重要。石墨烯一直被认为是终极防腐材料，但其真正的防腐性能仍存在很大争议。具体来说，强电子耦合会限制腐蚀性分子的界面扩散，同时也会促进表面电化学腐蚀。本文，北京大学张志斌、刘开辉课题组，上海科技大学王竹君等在《Nat Commun》期刊发表名为“Enhanced copper anticorrosion from Janus-doped bilayer graphene”的论文，研究报告了仅通过双层石墨烯涂层对Cu的增强防腐，该涂层在室温下提供超过5年的保护，在 200 °C 下可提供 1000 小时的保护。双层石墨烯之所以具有如此优异的防腐性能，是因为它具有非同一般的金纳斯掺杂效应，其中重度掺杂的底层与铜形成了强烈的相互作用，限制了界面扩散，而近乎电荷中性的顶层则表现为惰性，减轻了电化学腐蚀。我们的研究可能会拓展铜在各种极端工作条件下的应用场景。
图文导读
图1：双层石墨烯的Cu防腐性能增强。
图2：单层和双层石墨烯的Cu耐腐蚀性能
图3：石墨烯涂层Cu氧化过程的原位表征。
图4：石墨烯涂层Cu的电子结构表征。
小结
通过简便的 Janus 掺杂双层石墨烯涂层设计，我们能够实现稳健而有效的铜防腐性能，比工业标准推荐值高出三个数量级（在 200 °C 下 1000 小时的保护时间与在空气中 1 小时的保护时间）5。在 120 °C 下退火 20 小时后，双层石墨烯成功地保护了铜导体，且没有明显的氧化迹象。原子厚石墨烯涂层显著提高的防腐能力为铜在恶劣环境中的综合应用铺平了道路，并为下一代电子和光电设备的微型化创造了重要机遇。
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-023-43357-1
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