最近發(fā)表在《Small》雜志上的一項(xiàng)研究探討了一種提高跨膜納米流體設(shè)備中石墨烯膜穩(wěn)定性的新方法。研究人員使用一種基于芘的涂層來(lái)加強(qiáng)石墨烯與其基底之間的附著力，從而提高設(shè)備的性能和使用壽命。

石墨烯具有優(yōu)異的特性--高導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度和滲透性，使其成為一種前景廣闊的膜技術(shù)材料，可應(yīng)用于單分子傳感、離子過(guò)濾和能量收集等領(lǐng)域。然而，它在液體環(huán)境中的實(shí)際應(yīng)用卻因容易分層而受到阻礙。作為二維晶格中的單層碳原子，石墨烯特別適用于生物傳感和能量轉(zhuǎn)換中的選擇性離子傳輸，但當(dāng)石墨烯暴露在電解溶液中時(shí)，往往會(huì)從基底上脫落，導(dǎo)致設(shè)備失效。

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究人員探索了使用芘基粘附層。眾所周知，芘化合物具有很強(qiáng)的 π-π 相互作用，可以增強(qiáng)石墨烯與其氮化硅（SiN）基底之間的粘附力。本研究評(píng)估了芘涂層能否有效防止分層并延長(zhǎng)基于石墨烯的納米流體設(shè)備的運(yùn)行壽命。

當(dāng)前研究

研究人員開(kāi)發(fā)出了用于石墨烯薄膜的芘功能化氮化硅基底。該工藝從硅芯片開(kāi)始，硅芯片基底厚 500 μm，SiO2 層厚 500 nm。在這一層上蝕刻出一個(gè) 15 μm x 15 μm 的窗口，露出 30 nm 厚、1 μm 孔徑的 SiN 膜。

進(jìn)行化學(xué)功能化以將芘衍生物共價(jià)鍵合到 SiN 襯底上。他們使用硅烷和肽化學(xué)創(chuàng)造了一個(gè)堅(jiān)固的粘附層，以促進(jìn)在轉(zhuǎn)移過(guò)程中和轉(zhuǎn)移后與石墨烯的π-π相互作用。然后，通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD） 生產(chǎn)的單晶石墨烯被轉(zhuǎn)移到芘功能化的 SiN 襯底上。

為了測(cè)試設(shè)備性能，研究人員將樣品浸入 0.1 M 鹽酸 （HCl） 溶液中并測(cè)量離子傳輸。他們分析了跨膜電流和電導(dǎo)，比較了有和沒(méi)有芘層的器件。其他評(píng)估包括光學(xué)和掃描電子顯微鏡 （SEM） 成像，以檢查石墨烯的覆蓋率和穩(wěn)定性。

結(jié)果與討論

芘層顯著提高了石墨烯跨膜裝置的性能。應(yīng)用芘涂層后，功能設(shè)備的成功率從僅 4% 增加到 76.2%。這些器件在酸性溶液中保持100 mS cm-2以下穩(wěn)定的電導(dǎo)值，顯示出減少分層和離子泄漏。

芘功能化器件的面積歸一化質(zhì)子電導(dǎo)平均為61±46 mS cm-2，與之前石墨烯研究中報(bào)告的值一致。相比之下，沒(méi)有芘層的器件表現(xiàn)出快速分層，在暴露于電解質(zhì)后的數(shù)小時(shí)內(nèi)，電導(dǎo)下降到裸露的 SiN 襯底。

研究人員指出，電導(dǎo)變化可能源于懸浮石墨烯中的皺紋和納米波紋，這可能會(huì)影響離子傳輸動(dòng)力學(xué)。泄漏電流的減少，加上芘層粘附力的提高，允許從更大的石墨烯器件樣本中收集更一致的數(shù)據(jù)，從而增強(qiáng)了該方法在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。

結(jié)論

本研究提出了一種穩(wěn)定石墨烯基納米流體器件的實(shí)用解決方案，解決了水性環(huán)境中長(zhǎng)期存在的分層問(wèn)題。使用共價(jià)鍵合的芘基粘附層不僅加強(qiáng)了石墨烯與其基材之間的界面，還增強(qiáng)了器件的穩(wěn)定性和可靠性。

這些發(fā)現(xiàn)表明，芘功能化可以導(dǎo)致更堅(jiān)固的石墨烯基膜，用于離子傳輸、傳感和能量轉(zhuǎn)換。未來(lái)的研究可以在其他二維材料中探索這項(xiàng)技術(shù)，從而擴(kuò)大納米級(jí)流體技術(shù)的可能性。