石墨烯促进了柔性和可穿戴电子产品的发展

石墨烯的见解

• 石墨烯是一种比钢更强的纳米材料，在许多制造应用中都很有用。然而，这项技术还不能大规模生产。
• 加州理工学院的研究人员正在寻找使石墨烯更加耐用和有用的方法，他们将石墨烯种植在电子产品中使用的铜线上，并将金与石墨烯混合，以更好地抵御人类的汗水，这对可穿戴电子产品很有用。

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石墨烯的强度是钢铁的200倍，自2004年被发现以来，一直被誉为未来的超级材料。这种超薄碳材料是一种非常强的电导体和热导体，使其成为增强许多电子设备中半导体芯片的完美成分。

然而，这种纳米材料遇到了障碍:特别是，制造商无法制造出大量与工业相关的材料。来自实验室的新研究Nai-Chang叶霍根(Thomas W. Hogan)物理学教授的研究证明，石墨烯可以极大地改善可穿戴和柔性电子产品所需的电路，如智能健康贴片、可弯曲智能手机、头盔、大型折叠显示屏等。

在一项研究在美国，研究人员将石墨烯直接生长在电子产品中常用的薄二维铜线上。结果表明，石墨烯不仅改善了导电线的导电性能，而且还保护了铜基结构的正常磨损。例如，他们表明，石墨烯涂层的铜结构可以折叠20万次而不损坏，而原始的铜结构在折叠2万次后就开始开裂。结果表明，石墨烯可以帮助制造具有更长的寿命的柔性电子产品。

的第二项研究石墨烯涂层的金可以更好地承受人体的汗水，因此可以制成更好的植入式生物传感器。黄金是用于开发可植入生物传感器或智能贴片纳米级设备的常见成分，用于监测各种健康状况。石墨烯减缓了黄金被腐蚀的速度。

这两项研究，除了一项第三项研究ACS应用材料与界面这表明石墨烯可以保护通过喷墨打印机产生的电路，使用Yeh小组的独特方法来生长石墨烯。2015年，叶和她的同事，包括高级研究科学家大卫·博伊德，宣布他们已经找到了一种方法更好、更经济、更环保的石墨烯材料生长方式．这种方法被称为等离子体增强化学气相沉积，可以在室温下大约15分钟内生长出只有一个原子厚度的高质量石墨烯片。相比之下，其他方法需要更高的温度，苛刻的化学物质，需要几个小时才能完成。

“柔性和可穿戴电子产品可以由聚合物等不能承受高温的软材料制成，”加州理工学院研究生、这三项研究的主要作者陈轩(Steve) Lu (MS ' 20)说。“我们的方法允许我们在低温下直接在基板上生长石墨烯，防止对敏感材料造成任何损坏。”

Yeh补充说，他们的石墨烯生长方法可以扩大规模以满足工业需求，除了柔性和可穿戴电子产品外，还兼容许多其他应用。

“我们的方法与各种基材高度兼容，从微小的纳米结构金属到半导体材料，甚至塑料。因为我们不需要高温，所以这种方法可以用于许多不同的基材上。”她说。

粉红色等离子体和石墨烯

该小组的石墨烯薄片生长方法是在他们的地下室实验室进行的。一束发出粉红色光的等离子体被用来激活氢气和甲烷分子气体，并将它们分解成更小的碎片。样品，如二维铜线，然后浸泡在等离子体中，气体中的碳沉积在一个原子厚的薄片上。石墨烯的最终表面会显得更有光泽。

“因为样品浸泡在等离子体中，而不需要像其他方法那样通过热炉主动加热到约1000摄氏度，所以更低温度的生长是可行的，”Lu说。

在测试石墨烯增强电子产品灵活性的能力的研究中，该团队与台湾工业技术研究所(ITRI)的材料和化学研究实验室合作。加州理工学院的团队创造了石墨烯涂层的铜结构，模仿了柔性电子产品中使用的结构，然后让他们在国际工业研究所的合作伙伴将它们折叠起来;该公司拥有将这些结构重复折叠数十万次所需的设备。“我试过了，但自己没办法站在那里折这么长时间的材料，”陆开玩笑说。

“几十年来，工研院一直在台湾的实验室研究与工业生产之间发挥着重要的桥梁作用。在众多从工研院分离出来的公司中，最著名的例子就是台积电(TSMC)，目前是世界上最大和领先的半导体代工公司，”叶说，她最近去台湾拜访了她在工研院的合作者。

在同一项研究中，研究人员还表明，石墨烯除了结构灵活性外，还可以提高铜结构的化学稳定性和导电性。Yeh说:“我们在这些细铜线上放置了两层石墨烯原子层，几个月后发现它们没有发生漂亮的变化。”

第二项研究测试了石墨烯是否可以保护用于植入式生物传感器的金结构的耐久性。研究人员在黄金上培养石墨烯，然后将材料暴露在模拟汗液的盐水溶液中。结果表明，石墨烯涂层结构在相当于正常人体温度下大约一个月的条件下保持完整，比单独使用黄金所能保持的时间长得多。

“当我第一次开始研究石墨烯时，我并没有意识到它的全部潜力。”“但后来我意识到它可以与其他材料一起用于如此多的应用。我的室友(合著者尚匡明)和我正在喝奶茶，突然意识到我们可以测试石墨烯是否可以保护黄金免受汗液的腐蚀。”

石墨烯的下一步

尽管石墨烯进入电子产品领域所花费的时间比最初预期的要长，但它的未来似乎是光明的。除了石墨烯在可穿戴和柔性电子产品中的应用，叶教授还在研究石墨烯在能源研究、光通信、环保电池等方面的潜力。

她说，石墨烯也是不断发展的纳米电子学领域的关键，纳米电子学的目标是创造出目前广泛使用的电子器件的更小版本。石墨烯可以与硅结合使用，将设备缩小到越来越小的尺寸。

“当石墨烯与其他材料结合时，可以使我们的纳米技术更小、更快。降低了散热和能耗。在我们的实验室里，我们用石墨烯做很多事情。这很令人兴奋，”她说。

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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