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，往往會從基底上脫落，導(dǎo)致設(shè)備失效。

為了應(yīng)對這一挑戰(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。本研究評估了芘涂層能否有效防止分層并延長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。該工藝從硅芯片開始，硅芯片基底厚 500 μm，SiO2 層厚 500 nm。在這一層上蝕刻出一個 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)造了一個堅(jiān)固的粘附層，以促進(jìn)在轉(zhuǎn)移過程中和轉(zhuǎn)移后與石墨烯的π-π相互作用。然后，通過化學(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） 溶液中并測量離子傳輸。他們分析了跨膜電流和電導(dǎo)，比較了有和沒有芘層的器件。其他評估包括光學(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，這可能會影響離子傳輸動力學(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)境中長期存在的分層問題。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)大納米級流體技術(shù)的可能性。