研究揭示銅上雙層石墨烯的雙面各異摻雜機(jī)制

松山湖材料實(shí)驗(yàn)室-北京大學(xué)教授劉開(kāi)輝與合作者研究揭示了銅上雙層石墨烯的雙面各異摻雜機(jī)制，解決了原子級(jí)石墨烯防腐技術(shù)易受界面擴(kuò)散和電化學(xué)腐蝕侵害的難題，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)銅箔的超高效防腐。近日，相關(guān)成果在線發(fā)表于《自然-通訊》。

記者獲悉，該技術(shù)可在室溫下保護(hù)銅箔達(dá)5年以上、80 ℃水中浸泡保護(hù)銅達(dá)100分鐘以上、200 ℃下保護(hù)銅箔達(dá)1000小時(shí)以上，達(dá)到了工信部《重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄》中要求的1000倍，有望拓展銅在高溫、高濕等極端環(huán)境下的應(yīng)用前景。

銅因其優(yōu)良的物理性質(zhì)（高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性等）而廣泛應(yīng)用于電力電子、半導(dǎo)體工業(yè)之中。但是，銅易受腐蝕的特性極大限制了其高端應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。目前，人們普遍使用傳統(tǒng)的有機(jī)涂層法或犧牲陽(yáng)極法等對(duì)銅進(jìn)行保護(hù)，然而這些方法通常依賴于較厚的涂層，難以滿足高端器件微型化的需要。

石墨烯因在單原子層厚度上具備優(yōu)異的防滲透能力和極高的化學(xué)穩(wěn)定性，被認(rèn)為是金屬保護(hù)涂層的重要備選之一。然而，石墨烯-金屬體系通常具有弱的界面耦合作用和強(qiáng)的表面電化學(xué)活性。有研究表明，在長(zhǎng)時(shí)間、高濕度的環(huán)境下，石墨烯甚至?xí)铀巽~的腐蝕。因此，亟需開(kāi)發(fā)一種能有效阻斷界面擴(kuò)散和電化學(xué)腐蝕的原子級(jí)防腐技術(shù)。

針對(duì)上述難題，科學(xué)家團(tuán)隊(duì)利用雙層石墨烯覆蓋，實(shí)現(xiàn)了超高效（200 ℃下1000小時(shí)，室溫環(huán)境下5年）的銅表面腐蝕保護(hù)。并且，研究團(tuán)隊(duì)證明，此方法的有效性與銅的晶面和石墨烯的堆疊方式無(wú)關(guān)，可通過(guò)多種制備方式獲得，且適用于高溫、高濕等多種環(huán)境，極大擴(kuò)展了石墨烯原子級(jí)防腐涂層的應(yīng)用前景。

作為原型演示，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)在印制電路板裸銅電路上覆蓋了雙層石墨烯，并實(shí)現(xiàn)了120 ℃下20小時(shí)以上的保護(hù)效果，相較傳統(tǒng)的防腐手段，能夠更大程度保留銅本身的優(yōu)異電學(xué)、光學(xué)等物理性質(zhì)。該技術(shù)有望為銅在高溫、高濕等苛刻環(huán)境中的集成化應(yīng)用開(kāi)辟道路，也為下一代電子器件和光電器件進(jìn)一步縮小體積、實(shí)現(xiàn)微型化帶來(lái)新的機(jī)遇。