逐层组装制备高导电性近理论值的石墨烯薄膜

近日，一项来自都柏林圣三一学院的科研成果在二维材料领域引起了广泛关注。该校研究团队成功研发出一种创新的层层组装方法，制备出了具有近理论导电性的超薄石墨烯薄膜，这一突破有望为众多电子设备应用带来革命性的改变。

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详情介绍

1. 研究背景

溶液处理的石墨烯纳米片薄膜在透明导体、超级电容器、忆阻器等多种应用中备受关注，但薄的印刷薄膜导电性通常较低。

现有提高薄膜导电性的方法如高温退火、强还原剂处理等，不适用于柔性器件大规模制造，因此需要一种无需复杂后处理就能制备高导电性溶液处理石墨烯薄膜的方法。

2. 实验方法

2.1 材料制备

通过电化学剥离法制备石墨烯纳米片，将两片石墨箔作为阴阳极置于 0.1M (NH₄)₂SO₄ 水溶液电解质中，施加 10V 电压 30min，对所得材料依次进行过滤、洗涤、超声、离心等处理，最终得到浓度为 1g/L 的石墨烯墨水。

2.2 薄膜沉积

采用液 - 液界面沉积法，利用水 - 己烷体系的高界面张力使石墨烯纳米片在界面上平铺，通过控制注入界面的墨水浓度和纳米片面质量负载等参数优化单层沉积，找到最佳参数后进行多层沉积，并在每层沉积后进行热退火和丙酮清洗处理。

2.3 薄膜表征

利用原子力显微镜（AFM）、紫外 - 可见光谱（UV - Vis）、扫描电子显微镜（SEM）、拉曼光谱等技术对石墨烯纳米片和薄膜的结构、厚度、粗糙度、导电性等进行表征，通过光学透射扫描和传输线法测量薄膜的覆盖度、厚度均匀性、电导率和接触电阻等参数。

3. 实验结果

3.1 墨水及单层薄膜特性

石墨烯墨水浓度约为 1g/L，纳米片厚度在 0.35 - 4.9nm 之间，平均厚度 0.97nm，长度可达 10μm，平均纵横比 4540 ± 180。

优化单层沉积参数为墨水浓度 0.02g/L、面质量负载 21g/m²，所得薄膜厚度 2.9nm，粗糙度相对较低，电导率为 84 ± 20S/m，拉曼光谱显示存在一定缺陷。

3.2 多层薄膜特性

多层薄膜厚度随沉积层数线性增加，每层平均增加约 0.87nm，厚度均匀性随层数增加而提高，最厚薄膜厚度标准偏差约为平均厚度的 10%。

薄膜电导率随厚度增加先快速上升，在厚度大于 8nm（层数大于 10）时达到 1.3×10⁵S/m 并趋于饱和，接触电阻随厚度增加先急剧下降，在厚度大于 8nm 时趋于稳定，且与电导率呈反比关系。

4. 研究结论

本研究展示了一种液 - 液界面沉积方法制备高导电性石墨烯薄膜的通用方法，通过优化沉积参数和逐层沉积，在 11nm 厚度下实现了 1.3×10⁵S/m 的高电导率，优于以往报道的同类薄膜。

该方法为降低二维材料网络中的结电阻提供了可靠途径，有望应用于多种二维材料和基板，对溶液处理石墨烯在薄膜器件应用中的性能提升具有重要意义。

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