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从樟脑丸获得灵感 材料系本科生蔡念铎发表石墨烯合成转移研究成果

Publish:2019-05-21 14:22:00

    近日,南方科技大学材料科学与工程系副教授程春课题组的2015级本科生蔡念铎作为共同第一作者在胶体与界面化学领域知名期刊《Journal of Colloid and Interface Science》(IF=5.091)上发表了关于利用樟脑实现通过化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition, CVD)合成石墨烯的简便高效、大面积高质量转移的相关研究成果。

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樟脑薄膜辅助的石墨烯转移方法示意图

    石墨烯是一种新型的碳纳米材料,具有独特的二维蜂窝状晶体结构,以及优异的电学、热学、光学和力学等性能,因而在电子器件、光学器件、传感器件、电化学储能、复合材料、热学等领域有着广阔的应用前景。

    化学气相沉积法是目前大规模制备高品质石墨烯薄膜的有效方法,其中基于铜镍等金属基底的CVD生长是目前常用的制备工艺。然而此法合成的石墨烯需要被转移至特定目标基底(如SiO2/Si、石英、塑料等)以进行进一步的性能研究和应用。通过大分子聚合物作为转移辅助层的湿法刻蚀转移是目前广泛使用的方法之一,最常用的是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。然而由于PMMA在石墨烯上的吸附能高,因此难以去除干净,影响所制备的石墨烯的品质。尽管近年来相关研究探索了一些有机小分子化合物用于转移辅助层的效果,但大部分小分子辅助层都不能提供足够的支撑,造成石墨烯薄膜的褶皱和破损。

    基于这样的研究背景,程春课题组研究了许多聚合物以及小分子化合物,分析其作为转移辅助层的可能性。有一天,蔡念铎偶然间闻到了衣柜里樟脑丸的味道,联想到易于挥发通常意味着较小的分子间作用力,于是提议将樟脑作为研究对象。这一提议得到了团队成员的支持。回想起这个“灵光一现”的时刻,蔡念铎说,自己那段时间有点“沉迷”,衣食住行时经常“分心”思考研究内容,没想到因此能从生活的细节中举一反三,获得了这项研究灵感。

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(a)DFT计算石墨烯与樟脑分子的吸附能,并与其他常用材料对比;(b-c)转移技术流程图与对应实物图

    团队研究后发现,樟脑与石墨烯表面吸附能较小,作为辅助转移层时可以仅通过室温下干燥升华、低温短时间退火或无水乙醇试剂清洗被完全除去。这避免了传统转移方法中去除转移支撑层所使用的有机试剂长时间浸泡和高温退火等操作,减少了对石墨烯薄膜的品质损坏,并扩展了石墨烯在诸多柔性基底上的应用。

    除此之外,在使用自制的樟脑溶液旋涂至石墨烯薄膜上并刻蚀掉铜基底时,石墨烯薄膜周围形成了一层樟脑油包围层,对石墨烯薄膜提供了紧固保护。团队还发现,由于樟脑油层在水溶液面上具有向外拉力的特性,被转移到特定基底上的石墨烯表面更不易形成褶皱,品质更高。这项技术简便高效、价格低廉、成品质量高,具备一定大规模生产的应用前景。

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光学显微镜和电子扫描显微镜表征表面形貌图像

    蔡念铎是我校材料科学与工程系2015级本科生,目前已经收到包括美国加州大学洛杉矶分校、瑞士洛桑联邦理工学院等多个学校的offer,决定毕业后前往瑞士洛桑联邦理工学院继续深造。在2019年QS世界排名中,该校的材料科学专业排名全球第六。蔡念铎在大二时加入程春研究团队并开始在二维材料领域的探索,在程春的指导下独立开始了该项技术的研发,并与前课题组研究学者B.N. Chandrashekar博士共同完善了该项工作。目前,相关研究成果已经提交PCT专利申请。

    该研究工作得到了多项基金的支持,包括国家自然科学基金面上项目、广东省自然科学杰出青年基金、粤港联合创新项目、深圳市科技创新委员会孔雀团队项目资助、南科大科研启动经费、以及广东省大学生科技创新培育专项资金(“攀登计划”“大学生创新创业训练计划”)等。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.jcis.2019.03.053

来自南科大官网