南科大蔡念鐸利用樟腦實現(xiàn)通過化學氣相沉積法合成石墨烯的轉(zhuǎn)移

南科大蔡念鐸利用樟腦實現(xiàn)通過化學氣相沉積法合成石墨烯的轉(zhuǎn)移

近日，南方科技大學材料科學與工程系副教授程春課題組的2015級本科生蔡念鐸作為共同第一作者在膠體與界面化學領(lǐng)域知名期刊《Journal of Colloid and Interface Science》（IF=5.091）上發(fā)表了關(guān)于利用樟腦實現(xiàn)通過化學氣相沉積法（Chemical Vapor Deposition,CVD）合成石墨烯的簡便高效、大面積高質(zhì)量轉(zhuǎn)移的相關(guān)研究成果。

石墨烯是一種新型的碳納米材料，具有獨特的二維蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)，以及優(yōu)異的電學、熱學、光學和力學等性能，因而在電子器件、光學器件、傳感器件、電化學儲能、復合材料、熱學等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。



化學氣相沉積法是目前大規(guī)模制備高品質(zhì)石墨烯薄膜的有效方法，其中基于銅鎳等金屬基底的CVD生長是目前常用的制備工藝。然而此法合成的石墨烯需要被轉(zhuǎn)移至特定目標基底（如SiO2/Si、石英、塑料等）以進行進一步的性能研究和應(yīng)用。通過大分子聚合物作為轉(zhuǎn)移輔助層的濕法刻蝕轉(zhuǎn)移是目前廣泛使用的方法之一，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，因此難以去除干凈，影響所制備的石墨烯的品質(zhì)。盡管近年來相關(guān)研究探索了一些有機小分子化合物用于轉(zhuǎn)移輔助層的效果，但大部分小分子輔助層都不能提供足夠的支撐，造成石墨烯薄膜的褶皺和破損。



基于這樣的研究背景，程春課題組研究了許多聚合物以及小分子化合物，分析其作為轉(zhuǎn)移輔助層的可能性。有一天，蔡念鐸偶然間聞到了衣柜里樟腦丸的味道，聯(lián)想到易于揮發(fā)通常意味著較小的分子間作用力，于是提議將樟腦作為研究對象。這一提議得到了團隊成員的支持。回想起這個“靈光一現(xiàn)”的時刻，蔡念鐸說，自己那段時間有點“沉迷”，衣食住行時經(jīng)常“分心”思考研究內(nèi)容，沒想到因此能從生活的細節(jié)中舉一反三，獲得了這項研究靈感。



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（a）DFT計算石墨烯與樟腦分子的吸附能，并與其他常用材料對比；（b-c）轉(zhuǎn)移技術(shù)流程圖與對應(yīng)實物圖



團隊研究后發(fā)現(xiàn)，樟腦與石墨烯表面吸附能較小，作為輔助轉(zhuǎn)移層時可以僅通過室溫下干燥升華、低溫短時間退火或無水乙醇試劑清洗被完全除去。這避免了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)移方法中去除轉(zhuǎn)移支撐層所使用的有機試劑長時間浸泡和高溫退火等操作，減少了對石墨烯薄膜的品質(zhì)損壞，并擴展了石墨烯在諸多柔性基底上的應(yīng)用。



除此之外，在使用自制的樟腦溶液旋涂至石墨烯薄膜上并刻蝕掉銅基底時，石墨烯薄膜周圍形成了一層樟腦油包圍層，對石墨烯薄膜提供了緊固保護。團隊還發(fā)現(xiàn)，由于樟腦油層在水溶液面上具有向外拉力的特性，被轉(zhuǎn)移到特定基底上的石墨烯表面更不易形成褶皺，品質(zhì)更高。這項技術(shù)簡便高效、價格低廉、成品質(zhì)量高，具備一定大規(guī)模生產(chǎn)的應(yīng)用前景。



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光學顯微鏡和電子掃描顯微鏡表征表面形貌圖像



蔡念鐸是我校材料科學與工程系2015級本科生，目前已經(jīng)收到包括美國加州大學洛杉磯分校、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院等多個學校的offer，決定畢業(yè)后前往瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院繼續(xù)深造。在2019年QS世界排名中，該校的材料科學專業(yè)排名全球第六。蔡念鐸在大二時加入程春研究團隊并開始在二維材料領(lǐng)域的探索，在程春的指導下獨立開始了該項技術(shù)的研發(fā)，并與前課題組研究學者B.N.Chandrashekar博士共同完善了該項工作。目前，相關(guān)研究成果已經(jīng)提交PCT專利申請。



該研究工作得到了多項基金的支持，包括國家自然科學基金面上項目、廣東省自然科學杰出青年基金、粵港聯(lián)合創(chuàng)新項目、深圳市科技創(chuàng)新委員會孔雀團隊項目資助、南科大科研啟動經(jīng)費、以及廣東省大學生科技創(chuàng)新培育專項資金（“攀登計劃”“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃”）等。

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