来源 | Nature Communications

链接 | https://doi.org/10.1038/s41467-026-70028-8

01

研究背景：石墨膜的合成的困境与需求

石墨是工业工程和基础物理领域的核心材料，凭借超高性能的热导率（＞1500 W/mK） 和极致的高温稳定性（升华点＞3000 ℃） 备受关注，其层状范德华结构更是为能带工程、量子霍尔效应等前沿研究奠定了基础。

当石墨被减薄至微米尺度时，还能在保持结晶性的同时获得良好的机械柔性，这让它成为下一代柔性热扩散体、电热致动器、极紫外制造屏蔽层以及共形电子皮肤等器件的理想候选材料，在柔性电子、高端制造、新能源等领域具有不可替代的应用价值。

然而，高质量石墨材料的规模化合成，始终面临着结晶质量与生产效率难以兼顾的核心难题，传统制备方法均存在难以突破的固有局限：

·高定向热解石墨（HOPG）：热解过程缓慢（沉积速率仅≈0.1 μm/h，单次循环＞24 h），需持续的高温高压条件（2500-3000℃、30 MPa），且制备尺寸受限（＜10 cm²）；

·kish 石墨：虽能通过快速熔凝形成 1-5 μm 的晶粒，但需 2000℃后续退火以降低高孔隙率（＞30%）和金属杂质含量（500-1000 ppm 铁），工艺繁琐且能耗高；

·聚合物衍生石墨化法：需在 3000℃下持续加热数天，能耗极高，所得产物结晶性差，且难以将厚度精准控制在 10 μm 以下；

·过渡金属（Ni、Co）催化外延法：虽能在较低温度（1000~1300℃）实现石墨烯层的连续偏析，金属箔也可作为模板形成石墨薄膜，但受限于金属中溶解碳量不足、连续外延过程中碳扩散效率低，最终产物要么厚度仅亚微米级，要么需耗时数天，无法兼顾厚度与效率。

02

成果掠影：非平衡碳通量工程实现微米级柔性石墨薄膜超快合成

近日，北京大学与北京石墨烯研究院刘忠范院士、孙禄钊特聘研究员及清华大学孙波副教授团队为突破上述瓶颈，研究团队从碳在金属中的扩散机制出发，提出了基于快速热循环的非平衡扩散策略，为高质量微米级厚石墨薄膜的快速合成开辟了新方向。团队以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为固体碳源，通过三阶段脉冲电流程序精准调控温度，避免热过冲。研究发现，碳在镍基底中发生快速非平衡扩散，石墨在 11 s 内即可成核，垂直生长速率达到 730 nm/min，较传统方法提升了一个数量级；而在快速冷却阶段（1300℃至 1000℃，仅 4~5 s），石墨的瞬时偏析速率更是高达 12000 nm/min，展现出极致的生长效率。为突破单步生长的亚微米厚度限制，团队进一步设计循环加热 - 冷却策略，通过精准的热脉冲调控实现连续的化学势梯度，在镍、钴箔上实现了1~5 μm 厚度可编程调控的石墨薄膜制备。即使是 5 μm 厚的厚膜，总制备时间也仅需约 2 小时，相较于传统化学气相沉积（CVD）方法，生产效率提升数倍，为工业化量产奠定了基础。

薄膜的面内热导率达 1314 W/mK，与高质量 HOPG（1480 W/mK）、Kish 石墨（1362 W/mK）相当，显著优于天然石墨；同时还具备良好的电学性能，电导率达 6.73×10⁵ S・m⁻¹，且均匀性优异。该方法所展现的快速、可调控、大尺寸、低成本等优势，使其在柔性电子、高端制造、新能源热管理等领域具有广阔的应用前景。研究成果以“Rapid synthesis of micron-thick flexible graphite films via non-equilibrium carbon flux engineering”为题，发表于《Nature Communications》期刊。

03

图文导读

图.扭曲双层MoS₂/WS₂异质结构（tBMWH）的表征。（A）在MoS₂/WS₂异质双层中使用层间扭曲增强vdWs界面热传输能力的示意图。（B）具有不同单晶尺寸和随机层间扭曲角的tBMWH的光学图像。橙子和蓝色实线表示三角形单晶WS₂和MoS₂的边缘，（C）单层WS₂、单层MoS₂及其重叠区域的拉曼光谱和（D）光致发光（PL）光谱，（E）高分辨率高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（F）选择性区域电子衍射（SAED）和（G）对应于E的tBMWH的快速傅里叶变换（FFT）图案。（H）HAADF-STEM图像。θ = 28.1°的tBMWH的STEM图像。（I）对应于H的tBMWH的SAED和（J）FFT图案。E和H中的白色菱形表示莫尔周期。橙子和蓝色实线表示六边形取向的对角线，并且扭曲角由它们之间的角度确定。（比例尺：B为20 μm，E和H为2 nm，F、G、I和J为5 nm−1。）

图1 | PJHIC法快速生长石墨膜的示意图与基本表征

图2 | 飞行时间二次离子质谱揭示碳元素时空演化

图3 | 循环饱和工程实现微米级石墨膜厚度的精准调控

图4 | 快速外延石墨膜的高品质结构与性能验证