南科大蔡念鐸利用樟腦實現通過化學氣相沉積法合成石墨烯的轉移

南科大蔡念鐸利用樟腦實現通過化學氣相沉積法合成石墨烯的轉移

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域知名期刊《Journal of Colloid and Interface Science》（IF=5.091）上發表了關于利用樟腦實現通過化學氣相沉積法（Chemical Vapor Deposition,CVD）合成石墨烯的簡便高效、大面積高質量轉移的相關研究成果。

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構，以及優異的電學、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、熱學等領域有著廣闊的應用前景。



化學氣相沉積法是目前大規模制備高品質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用。通過大分子聚合物作為轉移輔助層的濕法刻蝕轉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。盡管近年來相關研究探索了一些有機小分子化合物用于轉移輔助層的效果，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，聯想到易于揮發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”的時刻，蔡念鐸說，自己那段時間有點“沉迷”，衣食住行時經常“分心”思考研究內容，沒想到因此能從生活的細節中舉一反三，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）轉移技術流程圖與對應實物圖



團隊研究后發現，樟腦與石墨烯表面吸附能較小，作為輔助轉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。這避免了傳統轉移方法中去除轉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損壞，并擴展了石墨烯在諸多柔性基底上的應用。



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。團隊還發現，由于樟腦油層在水溶液面上具有向外拉力的特性，被轉移到特定基底上的石墨烯表面更不易形成褶皺，品質更高。這項技術簡便高效、價格低廉、成品質量高，具備一定大規模生產的應用前景。



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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，目前已經收到包括美國加州大學洛杉磯分校、瑞士洛桑聯邦理工學院等多個學校的offer，決定畢業后前往瑞士洛桑聯邦理工學院繼續深造。在2019年QS世界排名中，該校的材料科學專業排名全球第六。蔡念鐸在大二時加入程春研究團隊并開始在二維材料領域的探索，在程春的指導下獨立開始了該項技術的研發，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，相關研究成果已經提交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、粵港聯合創新項目、深圳市科技創新委員會孔雀團隊項目資助、南科大科研啟動經費、以及廣東省大學生科技創新培育專項資金（“攀登計劃”“大學生創新創業訓練計劃”）等。

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