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物理与材料科学学院罗庇荣课题组在英国物理学会期刊《纳米技术》上发文揭示化学气相沉积石墨烯生长模式衍生的选区性铜氧化及其腐蚀机理


发布时间:2020-12-09

物理与材料科学学院罗庇荣课题组在英国物理学会期刊《纳米技术》共同发表论文“Selectivearea oxidation of copper derived from chemical vapor deposited graphenemicrostructure”,揭示化学气相沉积石墨烯生长模式衍生的选区性铜氧化及其腐蚀机理。

通过化学气相沉积(CVD)直接在金属表面生长的二维单原子层石墨烯是一种有效的金属防护涂层,其优异的热稳定性和对水、空气等腐蚀介质的物理屏蔽作用有效抑制了金属化学腐蚀和热氧化。进一步地研究表明,石墨烯涂层的阻隔性能与其微观结构高度相关,例如在制备过程中产生的石墨烯薄膜中的褶皱、裂纹,甚至纳米尺度的点缺陷均显著降低石墨烯的金属防护能力,而石墨烯的这些微观结构则由其化学气相沉积生长历史决定。该组在之前的工作中报道了石墨烯生长中的结构缺陷和生长缺陷不可避免地伴随着化学气相沉积过程而产生,成为各种金属腐蚀的诱发源(ChemNanoMat2020,61285-97),诸如在单晶石墨烯生长中的二次成核会导致双晶石墨烯畴,由于主级畴和次级畴的晶格方向不一致从而导致和生长基底的晶格耦合能量不一样,体现了各自的金属防护差异性(ACSAppl. Mater. Interfaces 2019,1148518–24)。

最近,他们将石墨烯膜的微观结构与化学气相沉积法制备石墨烯的细节联系在一起,具体地从铜箔基底上石墨烯生长的角度出发,揭示了其生长模式衍生的一种选区性铜氧化。由“刻蚀控制”生长模式生长的石墨烯具有树枝状形貌,即使在表面实体的石墨烯晶体内也存在隐含的树枝状刻蚀痕迹,这给水、氧气等腐蚀介质提供了可能性通道,成为金属表面上石墨烯涂层的氧化触发点,并以此触发点和铜基底触发内部电化学腐蚀,从而展现出了与石墨烯生长模式惊人相似的铜的选择性区域氧化。这和以往揭示的具有方向性的氧化腐蚀机制不一致。

1短期热氧化下石墨烯-铜基底的树枝状选择性氧化。

2长期环境下石墨烯-铜基底体系界面的逐渐解耦,以及和具有方向性氧化腐蚀的机制比较。

石墨烯的隐含蚀刻控制生长,其包含纳米/微孔的特定图案,例如树枝状微结构,导致铜衍生出这种选择性区域氧化(图1)。基于这种氧化模式,在氧化环境下,局部电化学腐蚀将在石墨烯和铜表面之间的界面附近被触发和扩展,呈现出铜的均匀腐蚀以及石墨烯-铜系统的逐渐和均匀的解耦(图3)。此工作在单原子层二维材料的防腐蚀、生长模式相关的质量检测和基于缺陷的化学改性等应用方面具有重要的意义。

该研究工作以Selective areaoxidation of copper derived from chemical vapor deposited graphenemicrostructure为题,于2020825日在英国物理学会期刊《纳米技术》在线发表(Nanotechnology202031, 485603http://apps.webofknowledge.com/full_record.do?product=UA&search_mode=GeneralSearch&qid=5&SID=5Dqj1vmHtcmDGDEQ79b&page=1&doc=1)。澳门十大网上博网址罗庇荣教授为论文第一编辑,硕士研究生杨帅、原蔼恒参与了部分实验工作。本研究得到了天津市“用三年时间引进千名以上高层次人才”基金和天津市自然科学基金面上项目的资助。


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