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浙江大學Chao Gao課題組--具有高載流子遷移率的 50–600 nm 厚度的柔性大面積石墨烯納米膜
       塊狀石墨烯納米膜具有快速的電子和聲子傳輸以及強光-物質相互作用的特點,因此具有廣泛的應用潛力,從光子、電子和光電設備到電荷剝離和電磁屏蔽等。然而,大面積具有寬厚度范圍的柔性緊密堆疊石墨烯納米膜尚未見報道。在這里,報告了一種聚丙烯腈輔助的“基板替代”策略,用于制造大面積的獨立式氧化石墨烯/聚丙烯腈納米膜(橫向尺寸 ~ 20 厘米)。線性聚丙烯腈鏈衍生的納米通道促進氣體逸出,并在 3,000℃熱處理后實現 50-600 nm 厚度的宏觀組裝石墨烯納米膜 (nMAG)。nMAG具有良好的電學性能:載流子遷移率,1540 cm²V?¹ s?¹;電導率,2.04 MS m?¹;載流子壽命4.7 ps。將其應用于電磁屏蔽,nMAG的高電導率降低了其最低商用厚度(100 nm,20 dB);。nMAG 非常靈活,即使經過 1.0 × 105 個折疊-展開循環后也沒有結構損壞。此外,nMAGs 將石墨烯/硅異質結的檢測區域從近紅外擴展到中紅外,并表現出比相同厚度的最先進 EMI 材料更高的絕對電磁干擾 (EMI) 屏蔽效能。預計這些結果將導致這種塊狀納米薄膜的廣泛應用,特別是作為微/納米電子和光電子平臺。
 
Fig 1 . 超薄自支撐GO/PAN薄膜的制備。a自支撐 GO/PAN 薄膜的制備過程。b不同質量比的GO/PAN薄膜在水中溶脹前后的XRD圖譜。c從水面上的石英基板上分離 GO/PAN 膜(步驟 II)。d具有大面積和“求是鷹”形狀(角)的獨立式 GO/PAN 薄膜(190 nm 厚)的圖像。e獨立式 nMAG(100 nm 厚)在氬氣氛下在 3,000℃下處理 1 小時。
 
Fig 2. 基于PAN原子氣體溢出通道。a GO/PAN中原子通道形成的示意圖;b GO/PAN在N2和空氣氣氛中的TGA圖 (PAN, 70%),插圖顯示了不同PAN含量的nMAG在N2和空氣中加熱到270℃的剩余質;c 600 nm厚預氧化GO/PAN 膜 (PAN, 70%)和PAN 膜中氧元素的飛行質樸圖及其對應的氧三維映射圖(插圖);d 270℃預氧化前后不同PAN含量GO/PAN薄膜的XRD譜圖;e不同溫度下熱處理nMAG (PAN, 50%)和還原氧化石墨烯的ID/IG值。右上顯示了不同PAN含量下1600℃處理的nMAG的ID/IG值。
 
Fig 3. nMAG 的結構和靈活性。a 50 nm 厚 nMAG 的 HR-TEM(橫截面,上)和 SEM(表面,下)圖像。b–d不同厚度的 nMAG 的橫截面和表面 SEM 圖像。e不同厚度的 nMAG 的 AB 含量(上)和 50 nm 厚的 nMAG 的拉曼光譜(下)。f GO 的 HR-TEM 圖像(上)和 nMAG 的 STM 形貌圖像(下)。g用 600 nm 厚的 nMAG 折疊的紙飛機。h重復折疊后 600 nm 厚的 nMAG 的電阻變化。
 
Fig 4. nMAGs 的電氣性能和應用。a nMAG 的載流子遷移率和電導率。b不同厚度的 nMAG 的 TCR。c不同厚度的 nMAG 的瞬態吸收動力學(功率密度,1 mW mm -2;泵浦波長,532 nm;探測波長,1.4μm)。d nMAG 的電磁屏蔽機制示意圖。e 50、100、240、400 和 600 nm 不同厚度的 nMAG 的 EMI SE。f不同 EMI 材料在 X 波段與厚度的 SSE/t 比較。g nMAG/Si 肖特基二極管的示意圖。h I-VnMAG/Si 在不同波長激光照射下的曲線(平均功率密度 40 mW mm. -2)。i 3 µm 波長脈沖激光(200 fs 脈寬)照射下時域 nMAG/Si 的光電流(τ r  = 20 ns 是上升時間,即信號從最低點上升到最高點的時間)。
 
Fig 5.由 200 納米厚的 nMAG 組裝而成的 10 微米厚的 mMAG 的熱特性。a GO/PAN 薄膜(每層 400 nm)和 PVA(每層 5-20 nm)逐層組裝的示意圖,經過 3,000℃熱處理后形成 10μm 厚的 mMAG(上)以及預氧化過程中PVA分解示意圖(下);黃色和灰色薄膜為預氧化前后的PAN/GO薄膜,綠色為PVA。b mMAG 的光學圖像。c mMAG 表面和橫截面的 SEM 圖像,顯示微褶皺的超低密度。d SAXS 散射圖案的方位角 (φ) 圖以及 mMAG、GPI 和 GPF 薄膜的相應二維 SAXS 圖案(插圖)。電子mMAG、GPI 和 GPF 薄膜的熱導率和電導率。f 10μm 厚的 GPI、Cu、GPF 和 mMAG 的紅外熱圖像和相應的溫度曲線,一側緊貼恒溫加熱器。
 
      相關研究工作由浙江大學Chao Gao課題組于2023年在線發表在《Nano-Micro Letters》期刊上,原文:Flexible Large?Area Graphene Films of 50–600 nm Thickness with High Carrier Mobility。

轉自《石墨烯研究》公眾號
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