隨著石墨烯材料在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，如何高效、可控地在非金屬基板上制備高質(zhì)量的石墨烯成為了研究的重點(diǎn)。尤其是在電子器件、導(dǎo)熱材料以及電熱器件等領(lǐng)域，石墨烯因其優(yōu)異的電導(dǎo)性和導(dǎo)熱性而備受青睞。然而，石墨烯在非金屬基板上的生長(zhǎng)面臨著一系列的挑戰(zhàn)，特別是高密度的成核和低質(zhì)量的薄膜問(wèn)題。 鑒于此，北京大學(xué)劉忠范院士團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新的“預(yù)熔基板促進(jìn)選擇性刻蝕”（PSE）策略，成功解決了這些問(wèn)題，使得石墨烯在玻璃纖維等非金屬基板上的生長(zhǎng)質(zhì)量得到了顯著提升。

石墨烯生長(zhǎng)的挑戰(zhàn)

石墨烯是一種由碳原子按蜂窩狀結(jié)構(gòu)排列的二維材料，具有出色的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能。然而，要在非金屬基板上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的石墨烯生長(zhǎng)卻充滿了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的化學(xué)氣相沉積（CVD）方法通常依賴于銅或鎳等金屬基板，這些金屬基板具有良好的催化作用，能夠促進(jìn)碳源分解并幫助石墨烯的生長(zhǎng)。然而，非金屬基板如玻璃纖維則缺乏這種催化性能，導(dǎo)致石墨烯的生長(zhǎng)質(zhì)量較差。 具體來(lái)說(shuō)，石墨烯生長(zhǎng)過(guò)程中，基板表面的高能量點(diǎn)（如缺陷位）會(huì)成為石墨烯成核的主要位置，這會(huì)導(dǎo)致成核密度過(guò)高，生長(zhǎng)的石墨烯晶粒小且缺陷多。為了提高石墨烯的質(zhì)量，研究者們通常需要采用外部金屬催化劑或其他輔助方法，但這些方法往往伴隨著金屬污染或催化劑殘留等問(wèn)題。

PSE策略：創(chuàng)新的解決方案

為了克服上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種“預(yù)熔基板促進(jìn)選擇性刻蝕”（PSE）策略。這一策略的核心是在石墨烯生長(zhǎng)過(guò)程中引入預(yù)熔化的基板和二氧化碳（CO?）刻蝕劑，通過(guò)二者的協(xié)同作用，選擇性地去除基板附近的過(guò)量成核點(diǎn)，從而顯著減少石墨烯的成核密度，并促進(jìn)大尺寸石墨烯晶粒的生長(zhǎng)。 具體而言，在CVD反應(yīng)中，玻璃纖維基板通過(guò)預(yù)熔化處理進(jìn)入液態(tài)表面狀態(tài)。這一狀態(tài)下，基板表面可以更容易地進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移，從而促進(jìn)碳源分解并加速石墨烯的生長(zhǎng)。同時(shí)，CO?氣體作為輕微的氧化刻蝕劑，會(huì)選擇性地刻蝕掉靠近石墨烯領(lǐng)域的成核點(diǎn)。通過(guò)這一過(guò)程，能夠有效降低成核密度，促進(jìn)大尺寸、高質(zhì)量的石墨烯晶粒形成。 使用PSE策略生長(zhǎng)的石墨烯在多個(gè)方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。首先，石墨烯的晶粒大小顯著增大，最大可達(dá)1微米，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)方法中生長(zhǎng)的石墨烯晶粒。其次，石墨烯的缺陷密度大幅降低，ID/IG比值接近0.13，表明其晶體質(zhì)量大幅提升。此外，使用該策略制備的石墨烯在電導(dǎo)性方面表現(xiàn)也大大改善，電導(dǎo)率是傳統(tǒng)方法的三倍，并且其耐用性提高了7倍，尤其適用于電熱器件等領(lǐng)域。 PSE策略的實(shí)現(xiàn)基于對(duì)基板表面和CO?刻蝕劑作用的精細(xì)控制。研究人員通過(guò)密度泛函理論（DFT）計(jì)算，揭示了預(yù)熔化基板如何促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移，從而增強(qiáng)CO?對(duì)成核點(diǎn)的選擇性刻蝕作用。在預(yù)熔化狀態(tài)下，基板表面的碳活性物種（如CH?）的遷移能障較低，使得這些物種能更快速地遷移并參與到石墨烯晶粒的生長(zhǎng)中，而不是成核。這一過(guò)程有效地減少了成核點(diǎn)的數(shù)量，并促進(jìn)了大尺寸石墨烯的生長(zhǎng)。 此外，CO?的刻蝕作用主要集中在石墨烯領(lǐng)域附近的成核點(diǎn)，能夠選擇性地去除這些過(guò)量的成核點(diǎn)。通過(guò)這種方式，石墨烯的成核密度得到了有效控制，晶粒尺寸得到了顯著增大，晶體質(zhì)量得到了極大的提升。

應(yīng)用

利用PSE策略制備的石墨烯具有優(yōu)異的電導(dǎo)性和熱穩(wěn)定性，非常適合應(yīng)用于電熱器件中。研究人員利用制備的石墨烯制作了石墨烯玻璃纖維復(fù)合材料（GGFF），并將其應(yīng)用于柔性電熱器件。GGFF表現(xiàn)出出色的電熱性能，能夠快速響應(yīng)并均勻加熱。與傳統(tǒng)方法制備的石墨烯相比，GGFF在電導(dǎo)率和工作壽命方面都表現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)，工作壽命提高了7倍，適用于長(zhǎng)時(shí)間工作的電熱設(shè)備。 總之，本文提出的PSE策略成功解決了在非金屬基板上生長(zhǎng)高質(zhì)量石墨烯的挑戰(zhàn)。通過(guò)對(duì)玻璃纖維基板的預(yù)熔化處理和CO2刻蝕的協(xié)同作用，顯著提高了石墨烯的晶體質(zhì)量和電導(dǎo)性。利用該策略制備的石墨烯材料在電熱器件中表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，顯示出其在未來(lái)電子設(shè)備和智能材料中的廣泛應(yīng)用潛力。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，PSE策略有望為更多高性能石墨烯材料的制備提供新的思路，并推動(dòng)石墨烯在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。