隨著石墨烯材料在各個領域的廣泛應用，如何高效、可控地在非金屬基板上制備高質量的石墨烯成為了研究的重點。尤其是在電子器件、導熱材料以及電熱器件等領域，石墨烯因其優異的電導性和導熱性而備受青睞。然而，石墨烯在非金屬基板上的生長面臨著一系列的挑戰，特別是高密度的成核和低質量的薄膜問題。 鑒于此，北京大學劉忠范院士團隊提出了一種創新的“預熔基板促進選擇性刻蝕”（PSE）策略，成功解決了這些問題，使得石墨烯在玻璃纖維等非金屬基板上的生長質量得到了顯著提升。

石墨烯生長的挑戰

石墨烯是一種由碳原子按蜂窩狀結構排列的二維材料，具有出色的電學、熱學和力學性能。然而，要在非金屬基板上實現高質量的石墨烯生長卻充滿了挑戰。傳統的化學氣相沉積（CVD）方法通常依賴于銅或鎳等金屬基板，這些金屬基板具有良好的催化作用，能夠促進碳源分解并幫助石墨烯的生長。然而，非金屬基板如玻璃纖維則缺乏這種催化性能，導致石墨烯的生長質量較差。 具體來說，石墨烯生長過程中，基板表面的高能量點（如缺陷位）會成為石墨烯成核的主要位置，這會導致成核密度過高，生長的石墨烯晶粒小且缺陷多。為了提高石墨烯的質量，研究者們通常需要采用外部金屬催化劑或其他輔助方法，但這些方法往往伴隨著金屬污染或催化劑殘留等問題。

PSE策略：創新的解決方案

為了克服上述問題，研究團隊提出了一種“預熔基板促進選擇性刻蝕”（PSE）策略。這一策略的核心是在石墨烯生長過程中引入預熔化的基板和二氧化碳（CO?）刻蝕劑，通過二者的協同作用，選擇性地去除基板附近的過量成核點，從而顯著減少石墨烯的成核密度，并促進大尺寸石墨烯晶粒的生長。 具體而言，在CVD反應中，玻璃纖維基板通過預熔化處理進入液態表面狀態。這一狀態下，基板表面可以更容易地進行電荷轉移，從而促進碳源分解并加速石墨烯的生長。同時，CO?氣體作為輕微的氧化刻蝕劑，會選擇性地刻蝕掉靠近石墨烯領域的成核點。通過這一過程，能夠有效降低成核密度，促進大尺寸、高質量的石墨烯晶粒形成。 使用PSE策略生長的石墨烯在多個方面表現出優異的性能。首先，石墨烯的晶粒大小顯著增大，最大可達1微米，遠大于傳統方法中生長的石墨烯晶粒。其次，石墨烯的缺陷密度大幅降低，ID/IG比值接近0.13，表明其晶體質量大幅提升。此外，使用該策略制備的石墨烯在電導性方面表現也大大改善，電導率是傳統方法的三倍，并且其耐用性提高了7倍，尤其適用于電熱器件等領域。 PSE策略的實現基于對基板表面和CO?刻蝕劑作用的精細控制。研究人員通過密度泛函理論（DFT）計算，揭示了預熔化基板如何促進電荷轉移，從而增強CO?對成核點的選擇性刻蝕作用。在預熔化狀態下，基板表面的碳活性物種（如CH?）的遷移能障較低，使得這些物種能更快速地遷移并參與到石墨烯晶粒的生長中，而不是成核。這一過程有效地減少了成核點的數量，并促進了大尺寸石墨烯的生長。 此外，CO?的刻蝕作用主要集中在石墨烯領域附近的成核點，能夠選擇性地去除這些過量的成核點。通過這種方式，石墨烯的成核密度得到了有效控制，晶粒尺寸得到了顯著增大，晶體質量得到了極大的提升。

應用

利用PSE策略制備的石墨烯具有優異的電導性和熱穩定性，非常適合應用于電熱器件中。研究人員利用制備的石墨烯制作了石墨烯玻璃纖維復合材料（GGFF），并將其應用于柔性電熱器件。GGFF表現出出色的電熱性能，能夠快速響應并均勻加熱。與傳統方法制備的石墨烯相比，GGFF在電導率和工作壽命方面都表現出了顯著的優勢，工作壽命提高了7倍，適用于長時間工作的電熱設備。 總之，本文提出的PSE策略成功解決了在非金屬基板上生長高質量石墨烯的挑戰。通過對玻璃纖維基板的預熔化處理和CO2刻蝕的協同作用，顯著提高了石墨烯的晶體質量和電導性。利用該策略制備的石墨烯材料在電熱器件中表現出了優異的性能，顯示出其在未來電子設備和智能材料中的廣泛應用潛力。隨著技術的進一步發展，PSE策略有望為更多高性能石墨烯材料的制備提供新的思路，并推動石墨烯在更廣泛領域的應用。