beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室劉開輝教授與上海科技大學王竹君教授等合作者揭示了銅上雙層石墨烯的雙面各異摻雜機制，成功實現了對銅箔的超高效防腐，可在200 ℃下保護銅箔1000小時以上，達到了工信部《重點新材料首批次應用示範指導目錄》中要求的1000倍，有望拓展銅在高溫、高濕等極端環境下的應用前景。2023年11月17日，相關研究成果以“雙面各異摻雜雙層石墨烯增強銅抗腐蝕性能”（Enhanced copper anticorrosion from Janus-doped bilayer graphene）為題，在線發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。

随着以銅為代表的金屬電極材料在微電子、半導體和集成電路等領域的廣泛應用，因電極腐蝕帶來的器件性能退化問題日益凸顯，嚴重影響了集成器件的極限功率與性能表現。石墨烯因在單原子層厚度上具備優異的防滲透能力和極高的化學穩定性，被認為是金屬保護塗層的重要備選之一。然而，石墨烯-金屬體系通常具有弱的界面耦合作用和強的表面電化學活性，在水、氧氣等腐蝕性分子接觸石墨烯-金屬表面時，界面擴散和電化學反應極易發生。有研究表明，在長時間、高濕度的環境下，石墨烯甚至會加速銅的腐蝕，這使以石墨烯為代表的原子層防腐技術的開發與應用面臨着巨大挑戰。

圖1：雙層石墨烯覆蓋銅的抗腐蝕性能

針對上述難題，劉開輝團隊與合作者利用雙層石墨烯覆蓋，實現了高效（200 ℃下1000小時，室溫環境下5年）的銅表面腐蝕保護（圖1）。并且，研究團隊證明，此方法的有效性與銅的晶面、石墨烯的堆疊方式無關，且适用于高溫（高至600 ℃）、高濕（80 ℃水中浸泡）等多種環境，極大地擴展了石墨烯原子級防腐塗層的應用前景。精細的電子能帶結構計算與實驗表征證明，銅上雙層石墨烯具有雙面各異的摻雜機制：底層石墨烯與銅具有更多的電荷轉移和更強的相互作用，導緻腐蝕性分子的界面擴散更加困難；而頂層石墨烯則幾乎未被摻雜而接近電中性，有效抑制了表面電化學反應的發生。該技術有望為銅在氧化環境中的集成化應用開辟道路，也為下一代電子器件和光電器件的微型化提供了新的機遇。

beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所博士生趙孟澤、博新博士後張志斌和上海科技大學史武軍副研究員為論文共同第一作者；劉開輝、王竹君和張志斌為論文共同通訊作者。其他主要合作者還包括beat365李新征教授、吳慕鴻副研究員，上海科技大學劉志教授、柳仲楷教授，中國人民大學劉燦副教授，松山湖材料實驗室付瑩研究員等。

研究工作得到了廣東省基礎與應用基礎研究重大項目、國家自然科學基金委員會、廣東省重點領域研發計劃、中科院先導項目、上海市科學技術委員會、中國博士後科學基金、騰訊基金會、上海科技大學雙一流創業基金等相關項目及beat365納光電子前沿科學中心、量子物質科學協同創新中心，松山湖材料實驗室，上海科技大學大科學中心、硬X射線自由激光裝置、高性能計算共享服務平台，武漢大學高等研究院，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所等的大力支持。

論文原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-43357-1