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)，因電極腐蝕帶來的器件性能退化問題嚴(yán)重影響了集成器件的極限功率與性能表現(xiàn)。例如，當(dāng)暴露在200 ℃的空氣中僅30分鐘后，銅導(dǎo)線的電導(dǎo)率就會(huì)下降99.99999%。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(hù)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(qiáng)的表面電化學(xué)活性，在水、氧氣等腐蝕性分子接觸石墨烯-金屬表面時(shí)，界面擴(kuò)散和電化學(xué)反應(yīng)極易發(fā)生。有研究表明，在長時(shí)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(kuò)散和電化學(xué)腐蝕的原子級防腐技術(shù)，為下一代高端電子產(chǎn)業(yè)中銅的應(yīng)用開辟道路。

圖1：雙層石墨烯覆蓋銅的抗腐蝕性能

針對上述難題，劉開輝團(tuán)隊(duì)與合作者利用雙層石墨烯覆蓋，實(shí)現(xiàn)了高效（200 ℃下1000小時(shí)，室溫環(huán)境下5年）的銅表面腐蝕保護(hù)（圖1）。并且，研究團(tuán)隊(duì)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(kuò)展了石墨烯原子級防腐涂層的應(yīng)用前景。作為原型演示，團(tuán)隊(duì)在印制電路板（PCB）裸銅電路上覆蓋了雙層石墨烯，并實(shí)現(xiàn)了120 ℃下20小時(shí)以上的保護(hù)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)。精細(xì)的電子能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)表征證明，銅上雙層石墨烯的優(yōu)異防腐性能來自于其具有雙面各異的摻雜機(jī)制。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(jìn)一步縮小體積、實(shí)現(xiàn)微型化帶來新的機(jī)遇。