颠覆性新技术！高速、大面积生产石墨烯薄膜

由名古屋大学可持续发展材料与系统研究所 (IMaSS) 的 Minoru Osada 教授领导的日本研究团队开创了一种高速、大面积沉积二维 (2D) 材料的方法，包括氧化物、氧化石墨烯和氮化硼。这种创新技术被称为“自发集成转移法”，是偶然发现的；然而，它有望彻底改变纳米片的生产方式。

在二维材料中，一个关键的工程挑战是大面积薄膜的大规模生产，同时又不牺牲其均匀的二维性质和独特性能。本文证明了水/醇溶剂的简单流体现象可以成为一种复杂的工具，用于在水面上自组装和设计二维纳米片的有序结构。原位表面表征表明，含有阳离子表面活性剂的二维纳米片的水/醇液滴在 10 秒内会自发扩散成大而均匀的单层。将单层轻松转移到固体或柔性基底上可产生具有高覆盖率（>95%）和均匀电子/光学特性的高质量单层和多层膜。这种自发扩散非常普遍，可以应用于各种二维纳米片，包括金属氧化物、氧化石墨烯、h-BN、MoS2和过渡金属碳化物，从而实现大尺寸（>4 英寸φ）二维纳米薄膜和独立膜的按需智能制造。

相关研究成果以“Ultrafast 2D Nanosheet Assembly via Spontaneous Spreading Phenomenon”为题发表于《Small》。（DOI https://doi.org/10.1002/smll.202403915）

纳米片的特点是厚度只有几个原子。由于纳米片的表面积相对于体积较大，因此纳米片具有卓越的电子、光学、机械和化学特性。纳米片有望彻底改变现代电子和材料科学。

传统上，人们采用化学气相沉积(CVD) 和朗缪尔-布洛杰特 (LB) 技术等方法来制造纳米片。然而，这些方法在使用中存在重大障碍，包括难以实现均匀、大面积沉积以及基底转移过程的复杂性。

在寻求更有效的沉积技术的过程中，Osada 团队偶然发现了一个有趣的现象：当纳米片被水浸湿时，它们会自发地排列在水面上，在短短 15 秒内形成致密的薄膜。这一过程被称为“自发扩散现象”，它表明了一种更有效的沉积技术。

图1. 二维悬浮液在水面上的自发组装

研究小组通过将纳米片溶剂混合物滴到水面上来测试这项技术。由于乙醇的挥发性比水高，因此蒸发速度更快，在表面形成浓度梯度。

乙醇蒸发较多的地区比乙醇浓度较高的地区表面张力更大。这种表面张力差异导致流体从张力较低的区域流向张力较高的区域，从而产生对流。这些电流引导溶液中的纳米片，使它们在水面上排列得更有序、更致密。

图2. Ti_0.87O₂^0.52−纳米片在水面上的自发扩散

“纳米片会自发排列并紧密堆积在一起，就像冰块在水面上聚集一样，”Osada 说道。“这种受控排列对于制造均匀、高质量的纳米片薄膜至关重要。然后，可以将所得的纳米片薄膜轻松转移到基底上，只需一分钟即可完成沉积过程。”

该方法不仅简化了生产过程，还为生产100至200层的多层厚膜打开了大门，而这在 CVD 和 LB 等传统方法中是难以实现的。原子力显微镜和共聚焦激光显微镜证实，通过该技术生产的纳米片薄膜高度均匀，纳米片密集排列，就像拼图碎片一样。

图3. 使用自发组装的二维薄膜的可扩展沉积

研究小组对该技术的多功能性感到惊讶，它成功地应用于各种纳米片组成和结构，从而可以在不同形状和材料的基底上生产大面积薄膜。

“通过该技术制备的多层膜作为功能薄膜表现出优异的性能。它们可以用于透明导电膜、介电膜、光催化膜、防腐膜和热屏蔽膜，”Osada 说。

除了技术优势之外，Osada 还强调了该方法的环境效益，他表示：“该技术有望成为一种重要的环保工艺，因为它可以在室温和水溶液工艺下在各种基材上生产薄膜，而无需传统薄膜工艺中常见的真空成膜设备或昂贵的工具。”