石墨烯氧化物薄膜的气相还原调控：结构演变与光学性能增强机制研究

《Carbon Trends》：From Graphene Oxide (GO) to Reduced Graphene Oxide (rGO) Films: A Hybrid Approach Combining Film Transfer and Vapor Reduction for Enhanced Structural and Optical Properties

本研究针对rGO薄膜制备中还原时间长、结构不均等问题，采用水辅助转移与气相还原联用策略，通过调控还原时间（60-240 s）成功制备出均匀无残留的rGO薄膜。结果表明，延长还原时间可有效去除含氧官能团，恢复sp2碳网络，显著降低表面粗糙度（Sa从692 nm降至397 nm），提升薄膜导电性（片电阻降至6.07×104Ω/□）和光吸收能力（消光系数k增至0.85）。该研究为高性能光学传感器提供了材料设计新思路。

　　

在纳米材料研究领域，石墨烯氧化物（GO）因其独特的二维结构和可调控的物理化学性质，已成为光电子器件开发的明星材料。然而，GO本身绝缘性强，必须通过还原处理转化为还原石墨烯氧化物（rGO）才能恢复导电性。传统的液相还原法虽能有效去除含氧基团，却易导致薄膜结构破损、均匀性差，且还原过程动辄需要数小时甚至数十小时，效率低下。更关键的是，现有研究对短时间还原下rGO薄膜的结构演变规律及其对光学性能的影响缺乏系统解析，这严重制约了其在高速光学传感器等领域的应用。

为解决上述问题，印度尼西亚布拉维贾亚大学的研究团队在《Carbon Trends》上发表论文，创新性地将水辅助薄膜转移技术与气相还原法相结合，通过精确控制还原时间（60秒、120秒和240秒），成功制备出高均匀性、无残留的rGO薄膜。研究首次系统揭示了短时间还原过程中薄膜形貌、化学结构及光学特性的动态变化规律，为高性能光电器件的材料设计提供了重要理论依据。

本研究主要采用真空过滤法在混合纤维素酯（MCE）膜上沉积GO薄膜，利用水表面张力实现GO薄膜向玻璃基底的无损转移，并通过肼蒸气在70°C下进行气相还原。表征手段涵盖拓扑测量系统（TMS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外-可见光谱（UV-Vis）、四探针法、扫描电子显微镜（SEM）、拉曼光谱（Raman）和透射电子显微镜（TEM）等。

表面形貌与厚度演变

通过TMS分析发现，随着还原时间从60秒延长至240秒，薄膜表面粗糙度（Sa）从692 nm显著降至397 nm，表明气相还原有效消除了因含氧基团分解产生的气体滞留所致的不均匀结构。同时，薄膜厚度从GO的约220 nm增加至rGO240的1004 nm，这是由于sp²碳网络恢复过程中石墨烯片层发生皱褶和重叠所致。

化学结构变化

FTIR光谱显示，还原后O-H（3420 cm^-1）、C=O（1720 cm^-1）等含氧官能团特征峰强度明显减弱。UV-Vis光谱中π→π吸收峰从265 nm红移至275 nm，且n→π肩峰减弱，证实了sp²共轭体系的恢复。四探针测试表明，片电阻从rGO120的4.34×10⁵Ω/□降至rGO240的6.07×10⁴Ω/□，印证了电子传输能力的提升。

微观结构与光学性能

SEM图像显示rGO240表面出现明显皱褶，元素分析表明碳氧比（C/O）从GO的1.24提升至1.61。椭偏仪测试发现rGO在可见光区折射率（n）降至1.4，而在近红外区升至2.3；消光系数（k）从GO的0.4-0.5显著提高至0.5-0.85，这与薄膜颜色变深的现象一致。拉曼光谱中I_D/I_G从0.28增至0.81，G带位移至1590 cm^-1，反映了缺陷增多和晶格应变。TEM/SAED分析进一步证实rGO的（002）晶面间距从0.42 nm缩小至0.32 nm，表明还原过程促进了石墨烯片层的紧密堆叠。

本研究通过多尺度表征系统阐明了短时间气相还原对rGO薄膜结构性能的调控机制。结果表明，延长还原时间可同步实现表面平整化、sp²网络重构和光学性能增强，其中rGO240样品展现出最优的综合性能。该工作不仅为快速制备高性能rGO薄膜提供了工艺范本，更深化了对碳材料结构-性能关联的理解，对推动石墨烯基光电子器件（如光学传感器、调制器等）的发展具有重要指导意义。特别值得注意的是，水辅助转移与气相还原的协同策略有效避免了传统方法导致的薄膜损伤，为二维材料在柔性器件中的应用开辟了新途径。