銅電極的原子厚防腐涂層對于半導體行業的小型化至關重要。石墨烯長期以來被期望成為終極防腐材料，但其真正的防腐性能仍存在很大爭議。具體來說，強電子耦合可以限制腐蝕性分子的界面擴散，同時也可以促進表面電偶腐蝕。近日，北京大學教授、2021年“科學探索獎”前沿交叉領域獲獎人劉開輝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范指導目錄》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。相關研究成果已在線發表于Nature Communications上。

文獻網址：https://doi.org/10.1038/s41467-023-43357-1

如此優異的耐腐蝕性歸因于雙層石墨烯中重要的Janus摻雜效應，其中重摻雜的底層與銅形成強烈的相互作用以限制界面擴散，而近電荷中性的頂層表現出惰性以減輕電偶腐蝕。

研究人員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。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，且適用于高溫（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涂層的應用前景。

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，導致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。

雙層石墨烯覆蓋銅的抗腐蝕性能

該技術有望為銅在氧化環境中的集成化應用開辟道路，可能會擴展銅在各種極端操作條件下的應用場景，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。