研究进展
北京石墨烯研究院&苏州大学，新发ＡＭ！
日期：
2025-11-19 13:59
石墨烯因其优异的电学和力学性能，在柔性电子器件和透明导电薄膜等领域展现出广阔的应用前景。然而，在实际应用中，其性能往往受限于制备过程中难以避免的晶格缺陷和表面污染，尤其是化学气相沉积法制备的石墨烯常伴随着非晶碳附着和点缺陷问题，严重制约了其电学性能和机械强度。尽管已有研究尝试分别解决污染去除或缺陷修复的问题，但二者之间的相互作用机制尚不明确，且缺乏一种能够同步实现高效清洁与晶格修复的可行策略。此外，氧在石墨烯生长过程中的作用长期以来存在争议，其在缺陷修复方面的潜力尚未得到充分探索。
近日，北京石墨烯研究院刘忠范院士/孙秀彩研究员、苏州大学张金灿教授等在Advanced Materials期刊发表题为“Trace Oxygen-Assisted Synthesis of High-Quality Graphene with Improved Electrical Performance”的研究论文。
研究提出了一种痕量氧辅助的后处理策略，通过精准调控氧气的引入，同步实现石墨烯表面非晶碳污染的高效去除与晶格缺陷的快速修复。研究结合第一性原理计算与系统实验验证，揭示了氧气在蚀刻非晶碳和降低缺陷修复能垒方面的双重作用机制，成功将Stone-Wales缺陷的修复能垒从2.84 eV显著降低至0.36 eV。所制备的石墨烯薄膜展现出接近理想单晶的结构完整性，其二维杨氏模量高达355 N·m⁻¹，断裂强度达1778 nN，电学性能方面更是实现了 174.4 ± 31.9Ω·sq⁻¹的低方阻和室温下超15000 cm²·V⁻¹·s⁻¹的载流子迁移率。该工作不仅阐明了氧气在高质量石墨烯合成中的新功能，也为面向高性能电子器件的大规模石墨烯制备提供了一条简单而有效的技术路径。
图文导读
图1. 痕量氧辅助策略在提升石墨烯洁净度与结晶性方面的关键作用。
图2.通过第一性原理计算深入揭示氧在缺陷修复中的微观机制。
图3. 从结构稳定性与力学性能两方面证实了氧处理石墨烯的优异结晶质量。
图4. 痕量氧辅助策略处理后的石墨烯在电学性能方面的突破。
结论
总之，本研究提出了一种痕量氧辅助化学气相沉积策略，通过精准调控氧蚀刻与晶格修复的协同作用，成功实现了石墨烯表面非晶碳污染的高效去除与晶格缺陷的原位修复。
该工作不仅揭示了氧在石墨烯合成中兼具表面净化与缺陷修复的双重功能，更为规模化制备适用于高频电子器件与柔性电极的高质量石墨烯提供了普适性方法。
文献信息：
Trace Oxygen‐Assisted Synthesis of High‐Quality Graphene with Improved Electrical Performance. Jincan Zhang;Xiaoting Liu;Haochuan Chen;Xintong Zhang;Sheng Li;Luzhao Sun;Wenqing Zhu;Xiaoding Wei;Qiang Fu;Junjia Wang;Wenhao Lu;Haihui Liu;Kaicheng Jia;Li Lin;Wanjian Yin;Jingyu Sun;Xiucai Sun;Zhongfan Liu. ISSN: 0935-9648 , 1521-4095; DOI: 10.1002/adma.202513677. Advanced materials , 2025
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