石墨烯改进了柔性和可穿戴电子产品的电路

石墨烯的强度是钢的 200 倍，自 2004 年发现以来一直被誉为未来的超级材料。超薄碳材料是一种非常强大的导电和导热体，使其成为增强许多电子产品中的半导体芯片的完美成分设备。

但是，虽然基于石墨烯的研究已经快速推进，但纳米材料遇到了障碍：特别是制造商无法制造出大量与工业相关的材料。来自 Thomas W. Hogan 物理学教授 Nai-Chang Yeh 实验室的新研究正在重振石墨烯的热潮。

在两项新研究中，研究人员证明石墨烯可以极大地改善可穿戴和柔性电子产品所需的电路，例如智能健康贴片、可弯曲智能手机、头盔、大型折叠显示屏等。

在ACS Applied Materials & Interfaces上发表的一项研究中，研究人员将石墨烯直接生长在电子产品中常用的薄二维铜线上。结果表明，石墨烯不仅改善了线路的导电性能，还保护了铜基结构免受通常的磨损。例如，他们表明石墨烯涂层的铜结构可以折叠 200,000 次而不会损坏，而原始铜结构在 20,000 次折叠后开始破裂。结果表明，石墨烯可以帮助制造寿命更长的柔性电子产品。

发表在ACS Applied Nano Materials上的第二项研究表明，用石墨烯包裹的金可以更好地承受人体的汗水，从而制造出更好的可植入生物传感器。黄金是用于开发可植入生物传感器或智能贴片(用于监测各种健康状况的纳米级设备)的常用成分。石墨烯减缓了黄金的腐蚀速度。

除了ACS Applied Materials & Interfaces的第三项研究表明石墨烯可以保护通过喷墨打印机生产的电路外，这两项研究还使用了 Yeh 集团独特的石墨烯生长方法。2015 年，Yeh 和她的同事，包括高级研究科学家 David Boyd，宣布他们已经找到了一种更好、更经济、更环保的方法来在材料上生长石墨烯。该方法称为等离子体增强化学气相沉积，可用于在室温下在大约 15 分钟内生长出只有一个原子厚的高质量石墨烯片。这与其他需要更高温度、刺激性化学品并需要几个小时才能完成的方法形成鲜明对比。

“柔性和可穿戴电子设备可以由不能承受高温的聚合物等软材料制成，”加州理工学院研究生、三项研究的主要作者 Chen-Hsuan (Steve) Lu 说。“我们的方法允许我们在低温下直接在基板上生长石墨烯，防止对敏感材料造成任何损坏。”

Yeh 补充说，他们的石墨烯生长方法可以扩大规模以满足工业需求，除了柔性和可穿戴电子产品外，还与许多其他应用兼容。

“我们的方法与各种基材高度兼容，从微小的纳米结构金属，到半导体材料，甚至是塑料。因为我们不需要高温，这种方法可以在不同的基材上用于许多应用，”她说。

粉红色等离子

该小组用于生长石墨烯片的方法是在他们的地下室实验室中进行的。一束粉红色的等离子体射线被用来激活氢气和甲烷分子的气体，并将它们分解成更小的碎片。然后将样品(例如二维铜线)浸入等离子体中，气体中的碳以一个原子厚的薄片形式沉积在表面上。带有石墨烯的最终表面会显得更亮。

“由于样品浸入等离子体中，无需通过热炉主动加热至约 1,000 摄氏度，这是其他方法的情况，因此低温生长变得可行，”卢说。

对于测试石墨烯增强电子产品灵活性能力的研究，该团队与工业技术研究所(ITRI)组织的材料和化学研究实验室合作。加州理工学院的团队创建了石墨烯涂层铜结构，模仿了柔性电子产品中使用的材料，然后让他们在工研院的合作伙伴将它们折叠起来;该公司拥有重复折叠数十万次结构所需的设备。“我试过了，我自己站在那里把材料折了这么久，”卢开玩笑说。

“几十年来，工研院一直在将实验室研究与的工业生产联系起来方面发挥着重要作用。在工研院的众多衍生公司中，最著名的例子是台积电(TSMC)，目前是世界上最大的领先的半导体代工厂，”叶说，她最近前往访问了她在工研院的合作者。

在基板上涂上石墨烯后，它看起来更亮了(右)。学分：加州理工学院

在同一项研究中，研究人员还表明，除了其结构灵活性外，石墨烯还可以提高铜结构的化学稳定性和导电性。“我们只在这些细铜线上放置了两层石墨烯原子层，几个月后发现它们没有发生任何变化，”Yeh 说。

第二项研究测试了石墨烯是否可以保护可植入生物传感器中使用的金结构的耐久性。研究人员在金上生长石墨烯，然后将材料暴露于模拟汗液的盐溶液中。结果表明，石墨烯涂层结构在相当于正常人体温度下大约一个月的条件下保持完整，比单独使用金可能长得多。

“当我第一次开始使用石墨烯时，我并没有意识到它的全部潜力，”卢说。“但后来我意识到它如何与其他材料一起用于如此多的应用。当我们意识到我们可以测试石墨烯是否可以保护汗水的腐蚀作用中的黄金。” 卢说，他最喜欢的饮品波巴茶有助于激发他的新想法。

石墨烯的下一步是什么?

虽然石墨烯进入电子领域所花费的时间比最初预期的要长，但它的未来似乎一片光明。除了在可穿戴和柔性电子产品中使用石墨烯外，Yeh 还在研究石墨烯在从能源研究和光通信到环保电池等方方面面的潜力。

她说，石墨烯也是纳米电子学不断发展的领域的关键，该领域旨在创造当今广泛使用的电子产品的更小版本。石墨烯可以与硅结合使用，以将设备缩小到越来越小的尺寸。

“石墨烯与其他材料结合使用时，可以使我们的纳米技术更小更快。它可以降低散热和能耗。在我们的实验室中，我们将石墨烯用于很多事情。这令人兴奋，”她说。