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浙江大學Chao Gao等課題組--厚度為 50–600nm且具有高載流子遷移率的柔性大面積石墨烯納米膜
       塊狀石墨烯納米膜具有快速的電子和聲子傳輸以及強光-物質相互作用的特點,因此具有巨大的多功能應用潛力,涵蓋光子、電子和光電器件到電荷剝離和電磁屏蔽等。然而,具有寬厚度范圍的大面積柔性密堆積石墨烯納米膜尚未見報道。在這里,作者報告了一種聚丙烯腈輔助的“基底替代”策略,用于制造大面積獨立式氧化石墨烯/聚丙烯腈納米薄膜(橫向尺寸約20厘米)。線性聚丙烯腈鏈衍生的納米通道可促進氣體逸出,并在 3,000 °C 熱處理后實現厚度為 50-600 nm 的宏觀組裝石墨烯納米膜 (nMAG)。nMAG具有良好的電學性能:載流子遷移率,1540 cm²V?¹ s?¹;電導率,2.04 MS m?¹;載流子壽命4.7 ps。將其應用于電磁屏蔽,nMAG的高電導率降低了其最低商用厚度(100 nm,20 dB);將其應用于紅外探測,nMAG的強光致熱發射效應將石墨烯/硅二極管的響應波長從1.5 μm擴展到了4 μm。這些結果預計將導致這種塊體納米薄膜的廣泛應用,特別是作為微/納米電子和光電平臺。

 
Fig 1. 超薄獨立式 GO/PAN 薄膜的制備a 自立式 GO/PAN 薄膜的制備過程。 b 不同質量比的GO/PAN薄膜在水中溶脹前后的XRD譜。 c 將 GO/PAN 薄膜從水面上的石英基材上分離(步驟 II)。 d 大面積且具有“求是鷹”形狀(角)的獨立式GO/PAN薄膜(190 nm厚)的圖像。 e 獨立式 nMAG(100 nm 厚)在氬氣氣氛下于 3,000 ℃ 處理 1 小時。

 
Fig 2. PAN 衍生的原子級氣體逃逸通道。 a GO/PAN中原子通道形成示意圖。 b GO/PAN (PAN, 70%) 在氮氣和空氣氣氛中的 TGA 圖;插圖顯示了在氮氣和空氣中加熱至 270 °C 的具有不同 PAN 含量的 nMAG 的殘余質量。 c 600 nm 厚的預氧化 GO/PAN 薄膜(PAN,70%)和 PAN 薄膜中氧元素的 ToF-SIMS 元素深度剖面,及其相應的氧 3D 映射圖像(插圖)。 d 不同PAN含量的GO/PAN薄膜在270℃預氧化前后的X射線衍射圖。 e 在不同溫度下熱處理的 nMAG (PAN, 50%) 和 rGO 的 ID/IG 值。插圖顯示了用不同含量的 PAN 組裝而成的經過 1,600 ℃處理的 nMAG 的 ID/IG 值。

 
Fig 3. nMAG 的結構和靈活性。 50 nm 厚 nMAG 的 HR-TEM(橫截面,向上)和 SEM(表面,向下)圖像。 b-d 不同厚度的 nMAG 的橫截面和表面 SEM圖像。 e 不同厚度 nMAG 的 AB 含量(上)和 50 nm 厚 nMAG 的拉曼光譜(下)。 f GO 的 HR-TEM 圖像(上)和 nMAG 的 STM 形貌圖像(下)。 g 用 600 nm 厚的 nMAG 折疊的紙飛機。 h 600 nm厚的nMAG反復折疊后的電阻變化。

 
Fig 4. nMAG 的電特性和應用。 a nMAG 的載流子遷移率和電導率。 b 不同厚度nMAG的TCR。 c 不同厚度的nMAG的瞬態吸收動力學(功率密度,1 mW mm−2;泵浦波長,532 nm;探針波長,1.4 μm)。 d nMAG電磁屏蔽機制示意圖。 e 50、100、240、400 和 600 nm 不同厚度的 nMAG 的 EMI SE。 f 不同 EMI 材料(詳見表 S4)在 X 波段與厚度的 SSE/t 比較。 g nMAG/Si 肖特基二極管原理圖。 h 不同波長激光照射下nMAG/Si的I-V曲線(平均功率密度40 mW mm.−2)。 i 3 µm 波長脈沖激光(200 fs 脈沖寬度)照射下 nMAG/Si 時域光電流(τr=20 ns 為上升時間,即信號從最低點上升到最高點的時間)。

 
Fig 5. 由 200 nm 厚的 nMAG 組裝而成的 10μm 厚的 mMAG 的熱特性。 a GO/PAN薄膜(每層400 nm)和PVA(每層5-20 nm)經過3,000 ℃熱處理后逐層組裝形成10μm厚的mMAG的示意圖(上)以及預氧化過程中PVA分解示意圖(下);黃色和灰色薄膜是預氧化前后的PAN/GO薄膜,綠色薄膜是PVA。 b mMAG 的光學圖像。 c mMAG 表面和橫截面的 SEM 圖像,顯示出超低密度的微褶皺。 d SAXS 散射圖案的方位角 (φ) 圖以及 mMAG、GPI 和 GPF flms 的相應 2D SAXS 圖案(插圖)。 e mMAG、GPI 和 GPF 薄膜的熱導率和電導率。 f 一側緊貼恒溫加熱器的 10μm 厚 GPI、Cu、GPF 和 mMAG 的紅外熱圖像和相應的溫度曲線
 
      相關研究工作由浙江大學Chao Gao等課題組于2023年聯合在線發表在《Nano-Micro Letters》期刊上,Flexible Large-Area Graphene Films of 50–600 nm Thickness with High Carrier Mobility,原文鏈接:https://doi.org/10.1007/s40820-023-01032-6

轉自《石墨烯研究》公眾號


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