高品質石墨薄膜強度和導電性刷新紀錄

科技日報記者 張佳欣

據最新一期《自然·通訊》雜誌報道，韓國基礎科學研究所開發出一種突破性方法，可製備出毫米級晶粒、鏡面般光滑的石墨薄膜。晶粒尺寸約為傳統人造石墨的1萬倍，性能接近單晶石墨理論極限。這一成果有望推動高品質石墨在熱管理、電子器件、先進電池等領域的應用邁向新台階。

力學測試結果顯示，該石墨薄膜的楊氏模量達到969吉帕斯卡，拉伸強度1.29吉帕斯卡，接近單晶石墨的理論極限，平面熱導率高達2034瓦/米·開爾文，超過銅的水平，電導率高達22500西門子/釐米，刷新了宏觀人造石墨的性能紀錄。

石墨因優異的電導率和熱導率，被廣泛用於電池負極、電磁屏蔽、催化和核技術等領域。但長期以來，傳統高温處理聚合物薄膜或製備高取向熱解石墨的方法，得到的材料晶粒較小、密度不足、表面易起皺。這些缺陷制約了石墨在高端應用中的潛力。

針對這一難題，團隊提出“多孔基底”策略，即在石墨生長完成後，通過選擇性蒸發鎳-鉬合金中的鎳，形成海綿狀基底，從而顯著削弱了石墨與金屬表面的相互作用，也有效地消除了冷卻過程中的界面應力，防止薄膜形成皺紋或扭結。

新工藝可實現每秒6.2層的超高速生長，比傳統方法快20倍以上，適合大面積規模化生產。此外，通過在金屬箔表面預先刻蝕圖案，還能將石墨薄膜定製成複雜形狀，例如用於機械測試的狗骨形試樣。這種可控性為定製化器件製造和實際應用提供了新可能。

該研究刷新了人造石墨的極限，使晶粒尺寸達到毫米級，可媲美稀有的天然石墨晶體。但與天然材料不同，這種薄膜在形狀、厚度和純度上都能精確控制，標誌着材料設計與性能的重大飛躍。