研究揭示銅上雙層石墨烯的雙面各異摻雜機制

松山湖材料實驗室-北京大學(xué)教授劉開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制，解決了原子級石墨烯防腐技術(shù)易受界面擴散和電化學(xué)腐蝕侵害的難題，成功實現(xiàn)了對銅箔的超高效防腐。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)可在室溫下保護銅箔達5年以上、80 ℃水中浸泡保護銅達100分鐘以上、200 ℃下保護銅箔達1000小時以上，達到了工信部《重點新材料首批次應(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)用的開發(fā)。目前，人們普遍使用傳統(tǒng)的有機涂層法或犧牲陽極法等對銅進行保護，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的表面電化學(xué)活性。有研究表明，在長時間、高濕度的環(huán)境下，石墨烯甚至?xí)铀巽~的腐蝕。因此，亟需開發(fā)一種能有效阻斷界面擴散和電化學(xué)腐蝕的原子級防腐技術(shù)。

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

作為原型演示，松山湖材料實驗室團隊在印制電路板裸銅電路上覆蓋了雙層石墨烯，并實現(xiàn)了120 ℃下20小時以上的保護效果，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)用開辟道路，也為下一代電子器件和光電器件進一步縮小體積、實現(xiàn)微型化帶來新的機遇。