石墨烯形成防止铜腐蚀杂化层的独特方法

 行业动态     |      2020-03-04 12:53
韩国中央大学的Hyungbin Son教授领导的研究团队观察到了一种利用石墨烯形成防止铜腐蚀杂化层的独特方法。
 
铜是人类广泛使用的一种金属。使用铜的主要挑战在于,即使在室温环境条件下,铜的表面也会随使用时间的延长发生氧化, 最终导致腐蚀。因此,找到一种长期?;ね懵侗砻娴姆椒ㄊ且幌罴杈薅幸庖宓墓ぷ?。?;そ鹗舯砻孀畛S玫姆椒ň褪窃谕扛卜栏次镏?。石墨烯作为抗腐蚀涂层的候选材料已被广泛研究, 因为它可作为隔绝气体分子的屏障。
 
但是,尽管具有这些特性, 现有研究表明石墨烯片只能在短时间内(少于24小时)?;ね馐芨?。实际上,令人惊讶的是, 在度过初始阶段后,石墨烯还有可能提高铜的被腐蚀速率,这与石墨烯涂层带来的抗腐蚀性质完全相反。
 
为了阐明铜表面涂覆石墨烯的特殊性质,韩国团队研究了铜基板上的石墨烯分布,分析其腐蚀方式。Son教授解释表示:“众所周知,石墨烯具有很好的机械性能,并且对所有气体(包括氢) 都具有不渗透性。后续有研究证实,石墨烯由于各种缺陷反而加速了铜基材的腐蚀,这使得将石墨烯用作氧化阻隔层的功能受到了广泛的质疑,这种争议目前已经存在了十年,不过,在这样长的时间范围内仍没有对此进行定性研究。
 
因此,我们有动机去研究石墨烯在石墨烯-铜界面上作为耐腐蚀膜的作用和机理。”Son教授及其团队使用拉曼光谱仪、扫描电子显微镜和白光干涉仪观察了30天的铜腐蚀现象和趋势。
 
首先, 研究团队检测到腐蚀情况在涂层边缘发生,并在边缘、晶界和原子缺位等各种缺陷处发生了扩散,形成了氧化亚铜(Cu2O)。这导致附着在表面的水分子分裂,为氧化过程提供氧, 直到整个屏障看上去没有起到作用,致使铜表面完全腐蚀。由于石墨烯涂层受室温环境中水蒸气的影响,铜基板的受?;げ糠直任词鼙;さ牟糠址炊赘?。随着时间的流逝,石墨烯涂层下面形成的Cu2O分散了应变,并在石墨烯中引发了p掺杂,形成了某些杂化结构。
 
在暴露于室温环境条件下13天后,研究小组发现这种腐蚀大大减缓了石墨烯和Cu2O层之间新杂化物的产生。同时,未受?;さ耐绦院愣ǖ乃俾矢?,其腐蚀渗透的深度远大于有石墨烯?;げ阆赂瓷疃?。
 
这些发现表明,石墨烯实际上可以?;ね馐芙仙畹拇┩感匝趸?,这与此前的研究结论不同。Son教授表示,通过观察发现, 在更长的时间范围内(超过1年), 石墨烯-Cu2O的杂化结构成为了抗氧化?;げ?。未涂覆石墨烯的区域则被氧化铜(CuO)严重氧化,其氧化深度达到270纳米。”
 
Son教授总结表示,近十年来,石墨烯的抗腐蚀性能一直存在争议,许多研究表明,石墨烯会加速铜的氧化(导致其腐蚀)。不过这项研究首次证明了石墨烯-Cu2O与裸铜相比,能够形成一种杂化混合结构,从长远来看,仍然可以大大减缓了铜的腐蚀氧化。
 
机器学习揭示纳米多孔石墨烯的新导热机制
 
调控纳米材料的导热性能对于电子芯片散热、热电材料能量转化等应用有重要的意义。纳米多孔结构是调控纳米材料热导率的重要方式,除了孔隙率之外,孔的排布也可以调控纳米多孔结构的热导率。在以往的研究中发现:相对于周期性的孔排布,随机的孔排布会明显降低多孔结构的热导率,因为随机的孔排布使得热量的输运产生局域化效应,从而阻碍热量的进一步传输。
 
主要结果
 
由上海交通大学密西根学院鲍华课题组和美国普渡大学Xiulin Ruan教授合作的研究旨在通过机器学习算法来寻找例外以挑战这一公认的结论。以纳米多孔石墨烯为研究对象,该研究首先展示了人工寻找高热导率的多孔结构的不成功:通过高性能计算机仿真21个随机多孔石墨烯结构,需要67200机时,找到的所有案例都比周期性排布的多孔石墨烯热导率更低。这样的结果似乎和一般的认知完全一致。
 
为了更加高效的寻找反例,该研究提出了一种基于遗传算法的“两步”搜索机制:通过计算量较小的玻尔兹曼输运方程模型进行初筛和优化,并运用更加准确且计算量大的分子动力学模拟来验证。通过这样的“两步”算法,可以仅仅消耗6604机时,即成功的找到孔随机排布结构热导率高于周期排布的反例。
 
通过对反例的结构特征的深入分析,发现这些反例中热导率的提高是由于特定的孔排布导致的,进一步观察发现,用于表征多孔结构排布的两个参量:形状因子(Shape factor)和导热通路因子(Channel factor)在多孔石墨烯的导热中起主导作用。其作用远超过一般认为会降低热导率的声子局域化效应。通过进一步的回归分析表明,形状因子和导热通路因子与热导率具有较强的相关性,因此,这两个新的物理参量可用于建立快速预测纳米多孔结构热导率的机器学习模型。
 
该研究展示了通过机器学习指导发现反例,进一步推动理论发展的新的研究范式。