不可滲透的無缺陷的石墨烯材料,為二維材料的不可滲透性提供參考

2020-12-05 電子發燒友

不可滲透的無缺陷的石墨烯材料，為二維材料的不可滲透性提供參考

佚名 發表於 2020-03-13 14:10:15

2020年3月11日，武漢大學物理科學與技術學院袁聲軍及英國曼徹斯特曼徹斯特大學物理與天文學系A. K. Geim共同通訊在Nature 在線發表題為「Limits on gas impermeability of graphene」的研究論文，該研究使用用石墨烯緊密密封的小型單晶容器，顯示出無缺陷的石墨烯是不可滲透的，其精度比以前的實驗高八到九個數量級。該研究能夠辨別（但沒有觀察到）每小時只有幾個氦原子的滲出，並且此檢出限對所有測試的其他氣體（氖氣，氮氣，氧氣，氬氣，氪氣和氙氣）均有效，氫氣除外。該研究工作為二維材料的不可滲透性提供了重要參考，並且從基本的角度及其潛在應用意義很重要。

從理論上講，單層石墨烯對原子和分子的滲透構成了非常高的能壘。密度泛函理論（DFT）的計算表明，能壘E至少為幾個電子伏，這在環境條件下阻止任何氣體滲透。確實，可以估算出在室溫下，找到一個足以穿透任何現實尺寸的無缺陷膜的原子，所花費的時間將比宇宙的壽命長。使用在氧化矽晶圓上蝕刻的微米級孔實現了最高的靈敏度，這些孔用石墨烯密封。

在這些測量中，加壓氣體（例如，氦氣）可能會沿著SiO2層滲透並逐漸填充微容器，從而形成所謂的納米氣球。使用原子力顯微鏡（AFM）監測了它們在空氣中的連續放氣，結果表明，洩漏僅在SiO2表面發生，在幾分鐘之內發生，而與用於密封的石墨烯層數無關。這些研究得出的結論是，石墨烯膜不能滲透所有氣體。通過在石墨烯納米氣球中產生單個原子級缺陷，這進一步得到了證實，這導致了它們相對快速的放氣/充氣，並證實了該方法異常高的靈敏度。

無缺陷的石墨烯對氦氣的不滲透性

在該研究中，使用用石墨烯緊密密封的小型單晶容器，顯示出無缺陷的石墨烯是不可滲透的，其精度比以前的實驗高八到九個數量級。該研究能夠辨別（但沒有觀察到）每小時只有幾個氦原子的滲出，並且此檢出限對所有測試的其他氣體（氖氣，氮氣，氧氣，氬氣，氪氣和氙氣）均有效，氫氣除外。

氫顯示出明顯的滲透性，即使其分子比氦大，並且應該經歷更高的能壘。令人費解的觀察結果歸因於一個兩階段過程，該過程涉及分子氫在催化活性石墨烯波紋處解離，然後被吸附的原子以約1.0電子伏特的較低活化能翻轉到石墨烯片的另一側，該值接近以前報導的質子運輸。該研究工作為二維材料的不可滲透性提供了重要參考，並且從基本的角度及其潛在應用意義很重要。

室溫下，氫氣可滲透無缺陷的石墨烯

總而言之，無缺陷的石墨烯在室溫下完全不滲透所有原子和分子種類，但是氫的滲透不可忽略。如有必要，可以使用雙層石墨烯或其他2D材料（例如單層MoS2）來阻止氫氣的滲透。

責任編輯：gt

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