CIF等离子清洗机助力石墨烯 - 聚合物异质结构制备 | 中科大团队纳米限域界面锚固力学成果荣登《ACS AMI》！

发表时间：2026-06-29 点击次数：7

640 (18).png 高性能层状纳米复合材料是柔性电子、电磁屏蔽、轻量化光伏器件的核心材料，长期以来，聚合物 - 石墨烯复合体系力学性能始终无法突破经典混合定律（ROM）理论上限，界面应力传递效率低、层间结合差成为行业卡脖子难题。

近日，中国科学技术大学张忠、汪国睿教授团队在国际期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》发表成果，CIF CPC-G 等离子清洗机完成样品界面预处理，成功揭示纳米限域协同界面锚定的增强机理，实现复合材料模量远超传统理论预测，为新一代高强轻质二维复合薄膜提供完整设计思路。

CIF等离子清洗机：关键界面处理

论文实验中使用 CIF CPC-G 等离子清洗机，对硅基底、MEMS 测试器件进行表面预处理。设备可高效清除表面有机杂质与微颗粒，同时温和活化基底表面，提升界面结合力，全程不会损伤石墨烯晶格；标准化工艺保证各组样品界面状态统一，减少实验误差，为制备界面完整、表面平整的 PC / 石墨烯异质结构、完成精准力学表征打下坚实基础。

研究成果

本研究采用原位MEMS拉伸测试、拉曼光谱和原子力显微镜等手段，系统研究了聚碳酸酯（PC）/石墨烯异质结构中几何限域与界面限域的协同作用机制。研究发现，当聚合物厚度降低至分子尺度时，PC分子链由随机线团转变为沿石墨烯表面铺展的扁平构象，显著增强界面锚定作用和应力传递效率，抑制链滑移并促进链拉伸主导变形。由此，复合结构的弹性模量明显超过经典混合定律预测，同时材料发生由延性向脆性的断裂转变。该研究揭示了聚合物-石墨烯异质结构异常增强的微观机制，为高性能层状纳米复合材料的设计提供了新的理论依据。

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图1. (a) 基于原位扫描电子显微镜（SEM）的PTP测试装置示意图。(b) 15纳米厚 PGH 的典型力-位移曲线。(c) 实验测得的PGHs复合材料模量随石墨烯体积分数的变化关系，其中蓝色曲线为基于ROM理论预测值。(d)计算得出的PC基体有效模量；误差条包含由实测 PGH 模量与实验测定石墨烯模量共同产生的不确定度。

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图2. (a) PGHs及独立PC薄膜中PC的归一化杨氏模量（Mw ≈44.6 kg/mol）44相对于块体PC模量的变化关系。(b) 不同厚度下石墨烯与聚合物界面相互作用机制的示意图；(c) 15 nm与(d) 80 nm PGHs在应变水平增加时原位拉曼光谱的变化趋势；(e) 拉伸加载过程中15 nm与80 nm PGH 复合材料拉曼二维谱带位移速率的对比。

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图3。(a)不同聚合物厚度（hp= 15、41和108nm）的PGHs代表性应力-应变曲线。(b)PGHs的断裂应力与破坏应变随聚合物厚度（15至108nm）变化的关系。原位扫描电镜图像显示厚度分别为(c)108nm、(d)41nm和(e)15nm的 PGH 试样的拉伸变形情况。

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图4. (a) 15 nm和(c) 108 nm厚度的 PGH 材料断裂后的扫描电镜图像及其对应的拉曼D波段强度分布图，显示悬浮石墨烯区域存在空间分布的晶格损伤；(b) 主要由链拉伸主导的超薄 PGH 断裂机制示意图；(d) 主要由链滑移主导的厚 PGH 断裂机制示意图。SiOx/poly‑Si (p⁺) 结构的高角环形暗场像（HAADF）及 EDX 元素分布图。b）经双层 SiOx/poly‑Si (p⁺) 钝化的平面 n‑Si 的隐含开路电压 iVₒc 随热氧化生长 SiOx 厚度的变化关系。c）有无预退火处理的硼扩散多晶硅薄膜拉曼光谱。d,e）经双层 SiOx/poly‑Si (p⁺) 钝化的平面 n‑Si 的隐含开路电压 iVₒc 随 poly‑Si (p⁺) 结晶度（d）及硼掺杂浓度（e）的变化关系。b、d、e 中柱状图与误差棒分别为 3 个样品的平均值与标准差。f）n‑Si 上双层 SiOx/poly‑Si (p⁺) 的接触电阻率 ρc 随银粉中碱金属氧化物含量的变化关系。f 中均值误差棒为 6 个样品的标准差。g）烧结后双层 SiOx/poly‑Si (p⁺) 与银电极接触界面的截面 SEM 图。

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图5. (a) 通过逐层堆叠多个PGHs构建的宏观层状结构示意图。(b) 典型20层 PGH 层状结构的SEM截面显微照片，单层 PGH 厚度为80 nm。(c) 不同单层 PGH 厚度（15、40和80 nm）的20层 PGH 层状结构的典型拉伸应力-应变曲线。(d) PGH 层状结构的有效弹性模量随石墨烯体积分数的变化关系，突显了随着限制效应增强时与经典ROM预测值的偏差。(e) 本研究中PGHs与 PGH 层状结构、已报道的石墨烯基层状异质结构以及传统石墨烯聚合物复合材料的弹性模量与石墨烯体积分数关系对比。

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