ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS: “石墨烯贴金”-快速化学气相沉积法制备石墨烯-金属复合薄膜

贴金是一种源于古埃及和中国的古老的表面装饰工艺。人们将延展性好的贵金属(金、铂、钯等)反复捶打成厚度为100 nm左右的金属箔片,使其能很好贴覆于木质或石质雕塑表面。由于贵金属的耐腐蚀性,贴金雕塑能上千年保持外表光鲜和美感,譬如古埃及法老图坦卡蒙的贴金木棺椁。然而贵金属纳米薄膜往往具有较弱的力学性能。为了进一步增强金属纳米薄膜力学性能,加入高强度组分制备纳米复合材料是有效途径之一。

石墨烯作为单层碳原子二维晶体,具有优异的力学、电学性能。石墨烯-金属纳米复合材料能高效利用石墨烯优异特性。然而复合材料的性能往往受制于石墨烯-金属界面结合强度以及石墨烯组分的品质和在复合材料中的均匀性。目前,高品质单层石墨烯主要通过基于过渡金属衬底的高温(> 1000 ˚C)化学气相沉积法(CVD)制备。但由于金属纳米薄膜的高温不稳定性,传统单层石墨烯CVD制备一般限于厚度几十微米以上的金属衬底,很难直接用作石墨烯-金属纳米复合材料。如何有效抑制金属纳米薄膜高温下固态脱湿,以及基于纳米薄膜衬底的高品质单层石墨烯CVD制备是新型石墨烯-金属复合材料生产和应用的关键性问题。

 

美国伊利诺伊大学香槟分校Sameh Tawfick教授课题组受传统贴金工艺启发,提出了基于贴金用的纳米钯箔快速生长大晶粒单层石墨烯的方法。经过反复捶打制成的钯箔厚度在100-150 nm,具有大晶粒(> 15 µm)和低三叉晶界密度(~ 0.017 µm-1),能一定程度减缓纳米薄膜在高温下的脱湿现象,从而延长了纳米钯箔在制备温度下的稳定时间。值得注意的是,钯与石墨烯具有很高的界面结合能,理论上石墨烯-钯层状纳米复合结构具有优异的机械强化性能。另一方面,相比于与石墨烯结合较弱的铜衬底,钯在高温下具有很高的碳溶解度,这使得石墨烯的高速CVD制备成为可能。但是高溶解度的弊端是CVD冷却过程中高的碳偏析所导致的多层石墨烯,如何快速有效地控制碳在纳米钯箔升温和冷却过程中的扩散与析出是该研究的重点。

研究人员提出了碳在钯箔中的扩散模型,表明在温度和碳密度梯度驱动下,碳的扩散与析出共同作用可使石墨烯在不同温度下在钯箔表面结晶。通过控制钯箔变温速率以及钯表面碳密度梯度,研究人员可以间接控制石墨烯结晶温度和速率,进而实现单层均匀石墨烯生长。高的结晶温度可以提高石墨烯晶粒尺寸,降低成核密度,极大提高了CVD制备石墨烯的品质(拉曼光谱D峰-G峰面积比< 0.08)。实验表明纳米钯箔表面单层石墨烯晶体生长速率约为铜的两倍。通过原位拉曼光谱表征,生成的石墨烯-钯纳米复合薄膜在三点弯曲应力加载下表现出与机械剥离法制备的石墨烯相近的G峰劈裂与红移,验证了生成石墨烯的高品质及其和钯衬底的强结合作用。进一步的原子力显微镜压痕测量表明,CVD制备单层石墨烯可提高纳米钯箔表面模量约60%。该研究为高性能石墨烯-金属复合薄膜材料的生产和应用提供了新的思路。

相关结果发表在Advanced Functional Material上,文章第一作者为博士生张楷浩 (DOI: 10.1002/adfm.201804068)。

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