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(zhì)相互作用的特點，因此具有巨大的多功能應(yīng)用潛力，涵蓋光子、電子和光電器件到電荷剝離和電磁屏蔽等。然而，具有寬厚度范圍的大面積柔性密堆積石墨烯納米膜尚未見報道。在這里，作者報告了一種聚丙烯腈輔助的“基底替代”策略，用于制造大面積獨立式氧化石墨烯/聚丙烯腈納米薄膜（橫向尺寸約20厘米）。線性聚丙烯腈鏈衍生的納米通道可促進氣體逸出，并在 3,000 °C 熱處理后實現(xiàn)厚度為 50-600 nm 的宏觀組裝石墨烯納米膜 (nMAG)。nMAG具有良好的電學(xué)性能：載流子遷移率，1540 cm²V?¹ s?¹；電導(dǎo)率，2.04 MS m?¹；載流子壽命4.7 ps。將其應(yīng)用于電磁屏蔽，nMAG的高電導(dǎo)率降低了其最低商用厚度(100 nm，20 dB)；將其應(yīng)用于紅外探測，nMAG的強光致熱發(fā)射效應(yīng)將石墨烯/硅二極管的響應(yīng)波長從1.5 μm擴展到了4 μm。這些結(jié)果預(yù)計將導(dǎo)致這種塊體納米薄膜的廣泛應(yīng)用，特別是作為微/納米電子和光電平臺。
Fig 1. 超薄獨立式 GO/PAN 薄膜的制備a 自立式 GO/PAN 薄膜的制備過程。 b 不同質(zhì)量比的GO/PAN薄膜在水中溶脹前后的XRD譜。 c 將 GO/PAN 薄膜從水面上的石英基材上分離（步驟 II）。 d 大面積且具有“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）在氬氣氣氛下于 3,000 ℃ 處理 1 小時。
Fig 2. PAN 衍生的原子級氣體逃逸通道。 a GO/PAN中原子通道形成示意圖。 b GO/PAN (PAN, 70%) 在氮氣和空氣氣氛中的 TGA 圖；插圖顯示了在氮氣和空氣中加熱至 270 °C 的具有不同 PAN 含量的 nMAG 的殘余質(zhì)量。 c 600 nm 厚的預(yù)氧化 GO/PAN 薄膜（PAN，70%）和 PAN 薄膜中氧元素的 ToF-SIMS 元素深度剖面，及其相應(yīng)的氧 3D 映射圖像（插圖）。 d 不同PAN含量的GO/PAN薄膜在270℃預(yù)氧化前后的X射線衍射圖。 e 在不同溫度下熱處理的 nMAG (PAN, 50%) 和 rGO 的
ID/
IG 值。插圖顯示了用不同含量的 PAN 組裝而成的經(jīng)過 1,600 ℃處理的 nMAG 的
ID/
IG 值。
Fig 3. nMAG 的結(jié)構(gòu)和靈活性。 50 nm 厚 nMAG 的 HR-TEM（橫截面，向上）和 SEM（表面，向下）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 nMAG 的 AB 含量（上）和 50 nm 厚 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 600 nm厚的nMAG反復(fù)折疊后的電阻變化。
Fig 4. nMAG 的電特性和應(yīng)用。 a nMAG 的載流子遷移率和電導(dǎo)率。 b 不同厚度nMAG的TCR。 c 不同厚度的nMAG的瞬態(tài)吸收動力學(xué)（功率密度，1 mW mm
−2；泵浦波長，532 nm；探針波長，1.4 μm）。 d nMAG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（詳見表 S4）在 X 波段與厚度的 SSE/t 比較。 g nMAG/Si 肖特基二極管原理圖。 h 不同波長激光照射下nMAG/Si的I-V曲線（平均功率密度40 mW mm.
−2）。 i 3 µm 波長脈沖激光（200 fs 脈沖寬度）照射下 nMAG/Si 時域光電流（τ
r=20 ns 為上升時間，即信號從最低點上升到最高點的時間）。
Fig 5. 由 200 nm 厚的 nMAG 組裝而成的 10μm 厚的 mMAG 的熱特性。 a GO/PAN薄膜（每層400 nm）和PVA（每層5-20 nm）經(jīng)過3,000 ℃熱處理后逐層組裝形成10μm厚的mMAG的示意圖（上）以及預(yù)氧化過程中PVA分解示意圖（下）；黃色和灰色薄膜是預(yù)氧化前后的PAN/GO薄膜，綠色薄膜是PVA。 b mMAG 的光學(xué)圖像。 c mMAG 表面和橫截面的 SEM 圖像，顯示出超低密度的微褶皺。 d SAXS 散射圖案的方位角 (φ) 圖以及 mMAG、GPI 和 GPF flms 的相應(yīng) 2D SAXS 圖案（插圖）。 e mMAG、GPI 和 GPF 薄膜的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率。 f 一側(cè)緊貼恒溫加熱器的 10μm 厚 GPI、Cu、GPF 和 mMAG 的紅外熱圖像和相應(yīng)的溫度曲線
相關(guān)研究工作由浙江大學(xué)Chao Gao等課題組于2023年聯(lián)合在線發(fā)表在《Nano-Micro Letters》期刊上，F(xiàn)lexible Large-Area Graphene Films of 50–600 nm Thickness with High Carrier Mobility，原文鏈接：
https://doi.org/10.1007/s40820-023-01032-6
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
