北京大学刘开辉课题组《自然·通讯》：实现铜防腐新突破

北京大学刘开辉教授、上海科技大学王竹君教授与合作者揭示了铜上双层石墨烯的双面各异掺杂机制，解决了原子级石墨烯防腐层易受界面扩散和电化学腐蚀侵害的难题，成功实现了对铜箔的超高效防腐。该技术可在室温下保护铜箔达5年以上、80 ℃水中浸泡保护铜达100分钟以上、200 ℃下保护铜箔达1000小时以上，达到了工信部《重点新材料首批次应用示范指导目录》中要求的1000倍，有望拓展铜在高温、高湿等极端环境下的应用前景。2023年11月17日，相关研究成果以“双面各异掺杂双层石墨烯增强铜抗腐蚀性能”（Enhanced copper anticorrosion from Janu-doped bilayer graphene）为题，在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

铜因其优良的物理性质（高导电性、高导热性等）而广泛应用于电力电子、半导体工业之中。但是，铜易受腐蚀的特性极大限制了其高端应用的开发，因电极腐蚀带来的器件性能退化问题严重影响了集成器件的极限功率与性能表现。例如，当暴露在200 ℃的空气中仅30分钟后，铜导线的电导率就会下降99.99999%。石墨烯因在单原子层厚度上具备优异的防渗透能力和极高的化学稳定性，被认为是金属保护涂层的重要备选之一。然而，石墨烯-金属体系通常具有弱的界面耦合作用和强的表面电化学活性，在水、氧气等腐蚀性分子接触石墨烯-金属表面时，界面扩散和电化学反应极易发生。有研究表明，在长时间、高湿度的环境下，石墨烯甚至会加速铜的腐蚀。因此，亟需开发一种能有效阻断界面扩散和电化学腐蚀的原子级防腐技术，为下一代高端电子产业中铜的应用开辟道路。

图1：双层石墨烯覆盖铜的抗腐蚀性能

针对上述难题，刘开辉团队与合作者利用双层石墨烯覆盖，实现了高效（200 ℃下1000小时，室温环境下5年）的铜表面腐蚀保护（图1）。并且，研究团队证明，此方法的有效性与铜的晶面和石墨烯的堆叠方式无关，可通过多种制备方式获得，且适用于高温、高湿等多种环境，极大扩展了石墨烯原子级防腐涂层的应用前景。作为原型演示，团队在印制电路板（PCB）裸铜电路上覆盖了双层石墨烯，并实现了120 ℃下20小时以上的保护效果，相较传统的防腐手段，能够更大程度保留铜本身的优异电学、光学等物理性质。精细的电子能带结构计算与实验表征证明，铜上双层石墨烯的优异防腐性能来自于其具有双面各异的掺杂机制。该技术有望为铜在高温、高湿等苛刻环境中的集成化应用开辟道路，也为下一代电子器件和光电器件进一步缩小体积、实现微型化带来新的机遇。

参考文献：

Zhao, M., Zhang, Z., Shi, W. et al. Enhanced copper anticorrosion from Janus-doped bilayer graphene. Nat. Commun. 14, 7447 (2023).

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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