块状石墨烯纳米膜具有快速的电子和声子传输以及强光-物质相互作用的特点，因此具有巨大的多功能应用潜力，涵盖光子、电子和光电器件到电荷剥离和电磁屏蔽等。然而，具有宽厚度范围的大面积柔性密堆积石墨烯纳米膜尚未见报道。在这里，作者报告了一种聚丙烯腈辅助的“基底替代”策略，用于制造大面积独立式氧化石墨烯/聚丙烯腈纳米薄膜（横向尺寸约20厘米）。线性聚丙烯腈链衍生的纳米通道可促进气体逸出，并在 3,000 °C 热处理后实现厚度为 50-600 nm 的宏观组装石墨烯纳米膜 (nMAG)。nMAG具有良好的电学性能：载流子迁移率，1540 cm²V⁻¹ s⁻¹；电导率，2.04 MS m⁻¹；载流子寿命4.7 ps。将其应用于电磁屏蔽，nMAG的高电导率降低了其最低商用厚度(100 nm，20 dB)；将其应用于红外探测，nMAG的强光致热发射效应将石墨烯/硅二极管的响应波长从1.5 μm扩展到了4 μm。这些结果预计将导致这种块体纳米薄膜的广泛应用，特别是作为微/纳米电子和光电平台。

 
Fig 1. 超薄独立式 GO/PAN 薄膜的制备a 自立式 GO/PAN 薄膜的制备过程。 b 不同质量比的GO/PAN薄膜在水中溶胀前后的XRD谱。 c 将 GO/PAN 薄膜从水面上的石英基材上分离（步骤 II）。 d 大面积且具有“求是鹰”形状（角）的独立式GO/PAN薄膜（190 nm厚）的图像。 e 独立式 nMAG（100 nm 厚）在氩气气氛下于 3,000 ℃ 处理 1 小时。

 
Fig 2. PAN 衍生的原子级气体逃逸通道。 a GO/PAN中原子通道形成示意图。 b GO/PAN (PAN, 70%) 在氮气和空气气氛中的 TGA 图；插图显示了在氮气和空气中加热至 270 °C 的具有不同 PAN 含量的 nMAG 的残余质量。 c 600 nm 厚的预氧化 GO/PAN 薄膜（PAN，70%）和 PAN 薄膜中氧元素的 ToF-SIMS 元素深度剖面，及其相应的氧 3D 映射图像（插图）。 d 不同PAN含量的GO/PAN薄膜在270℃预氧化前后的X射线衍射图。 e 在不同温度下热处理的 nMAG (PAN, 50%) 和 rGO 的 I_D/I_G 值。插图显示了用不同含量的 PAN 组装而成的经过 1,600 ℃处理的 nMAG 的 I_D/I_G 值。

 
Fig 3. nMAG 的结构和灵活性。 50 nm 厚 nMAG 的 HR-TEM（横截面，向上）和 SEM（表面，向下）图像。 b-d 不同厚度的 nMAG 的横截面和表面 SEM图像。 e 不同厚度 nMAG 的 AB 含量（上）和 50 nm 厚 nMAG 的拉曼光谱（下）。 f GO 的 HR-TEM 图像（上）和 nMAG 的 STM 形貌图像（下）。 g 用 600 nm 厚的 nMAG 折叠的纸飞机。 h 600 nm厚的nMAG反复折叠后的电阻变化。

 
Fig 4. nMAG 的电特性和应用。 a nMAG 的载流子迁移率和电导率。 b 不同厚度nMAG的TCR。 c 不同厚度的nMAG的瞬态吸收动力学（功率密度，1 mW mm⁻²；泵浦波长，532 nm；探针波长，1.4 μm）。 d nMAG电磁屏蔽机制示意图。 e 50、100、240、400 和 600 nm 不同厚度的 nMAG 的 EMI SE。 f 不同 EMI 材料（详见表 S4）在 X 波段与厚度的 SSE/t 比较。 g nMAG/Si 肖特基二极管原理图。 h 不同波长激光照射下nMAG/Si的I-V曲线（平均功率密度40 mW mm.⁻²）。 i 3 µm 波长脉冲激光（200 fs 脉冲宽度）照射下 nMAG/Si 时域光电流（τ_r=20 ns 为上升时间，即信号从最低点上升到最高点的时间）。

 
Fig 5. 由 200 nm 厚的 nMAG 组装而成的 10μm 厚的 mMAG 的热特性。 a GO/PAN薄膜（每层400 nm）和PVA（每层5-20 nm）经过3,000 ℃热处理后逐层组装形成10μm厚的mMAG的示意图（上）以及预氧化过程中PVA分解示意图（下）；黄色和灰色薄膜是预氧化前后的PAN/GO薄膜，绿色薄膜是PVA。 b mMAG 的光学图像。 c mMAG 表面和横截面的 SEM 图像，显示出超低密度的微褶皱。 d SAXS 散射图案的方位角 (φ) 图以及 mMAG、GPI 和 GPF flms 的相应 2D SAXS 图案（插图）。 e mMAG、GPI 和 GPF 薄膜的热导率和电导率。 f 一侧紧贴恒温加热器的 10μm 厚 GPI、Cu、GPF 和 mMAG 的红外热图像和相应的温度曲线
 
      相关研究工作由浙江大学Chao Gao等课题组于2023年联合在线发表在《Nano-Micro Letters》期刊上，Flexible Large-Area Graphene Films of 50–600 nm Thickness with High Carrier Mobility，原文链接：https://doi.org/10.1007/s40820-023-01032-6

转自《石墨烯研究》公众号