研究揭示銅上雙層石墨烯的雙面各異摻雜機制

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松山湖材料實驗室-北京大學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易受界面擴散和電化學腐蝕侵害的難題，成功實現了對銅箔的超高效防腐。近日，相關成果在線發表于《自然-通訊》。

記者獲悉，該技術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用示范指導目錄》中要求的1000倍，有望拓展銅在高溫、高濕等極端環境下的應用前景。

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雙層石墨烯覆蓋銅的超高效抗腐蝕性能。研究團隊 供圖

銅因其優良的物理性質（高導電性、高導熱性等）而廣泛應用于電力電子、半導體工業之中。但是，銅易受腐蝕的特性極大限制了其高端應用的開發。目前，人們普遍使用傳統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異的防滲透能力和極高的化學穩定性，被認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活性。有研究表明，在長時間、高濕度的環境下，石墨烯甚至會加速銅的腐蝕。因此，亟需開發一種能有效阻斷界面擴散和電化學腐蝕的原子級防腐技術。

針對上述難題，科學家團隊利用雙層石墨烯覆蓋，實現了超高效（200 ℃下1000小時，室溫環境下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，可通過多種制備方式獲得，且適用于高溫、高濕等多種環境，極大擴展了石墨烯原子級防腐涂層的應用前景。

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，并實現了120 ℃下20小時以上的保護效果，相較傳統的防腐手段，能夠更大程度保留銅本身的優異電學、光學等物理性質。該技術有望為銅在高溫、高濕等苛刻環境中的集成化應用開辟道路，也為下一代電子器件和光電器件進一步縮小體積、實現微型化帶來新的機遇。