銅電極的原子厚防腐涂層對于半導(dǎo)體行業(yè)的小型化至關(guān)重要。石墨烯長期以來被期望成為終極防腐材料，但其真正的防腐性能仍存在很大爭議。具體來說，強電子耦合可以限制腐蝕性分子的界面擴散，同時也可以促進表面電偶腐蝕。近日，北京大學(xué)教授、2021年“科學(xué)探索獎”前沿交叉領(lǐng)域獲獎人劉開輝與上海科技大學(xué)王竹君教授等合作者揭示了銅上雙層石墨烯的雙面各異摻雜機制，成功實現(xiàn)了對銅箔的超高效防腐——可在200 ℃下保護銅箔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。相關(guān)研究成果已在線發(fā)表于Nature Communications上。

文獻網(wǎng)址：https://doi.org/10.1038/s41467-023-43357-1

如此優(yōu)異的耐腐蝕性歸因于雙層石墨烯中重要的Janus摻雜效應(yīng)，其中重摻雜的底層與銅形成強烈的相互作用以限制界面擴散，而近電荷中性的頂層表現(xiàn)出惰性以減輕電偶腐蝕。

研究人員利用雙層石墨烯覆蓋，實現(xiàn)了高效（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、石墨烯的堆疊方式無關(guān)，且適用于高溫（高至600 ℃）、高濕（80 ℃水中浸泡）等多種環(huán)境，極大地擴展了石墨烯原子級防腐涂層的應(yīng)用前景。

精細的電子能帶結(jié)構(gòu)計算與實驗表征證明，銅上雙層石墨烯具有雙面各異的摻雜機制：底層石墨烯與銅具有更多的電荷轉(zhuǎn)移和更強的相互作用，導(dǎo)致腐蝕性分子的界面擴散更加困難；而頂層石墨烯則幾乎未被摻雜而接近電中性，有效抑制了表面電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。

雙層石墨烯覆蓋銅的抗腐蝕性能

該技術(shù)有望為銅在氧化環(huán)境中的集成化應(yīng)用開辟道路，可能會擴展銅在各種極端操作條件下的應(yīng)用場景，也為下一代電子器件和光電器件的微型化提供了新的機遇。