六方氮化硼(h-BN)包裹石墨烯玻璃纤维织物(GGFF)实现电学稳定性提升的共形封装策略

研究人员针对石墨烯器件传统整体封装导致结构臃肿、灵活性下降的问题，以具有层级导电网络的石墨烯玻璃纤维织物(GGFF)为平台，通过化学气相沉积(CVD)在每根纤维上原位生长高质量h-BN薄膜，实现了共形封装。该策略有效稳定了织物在压力/形变下的导电性能，同时保持结构柔韧性，并显著提升材料抗掺杂和抗氧化能力。这项发表于《Nature Communications》的研究为复杂结构二维材料器件封装提供了普适性解决方案。

　　

石墨烯因其独特的物理和电子结构，在柔性电子领域展现出巨大潜力，但其环境敏感性和传统封装技术的局限性严重制约实际应用。石墨烯玻璃纤维织物(GGFF)通过化学气相沉积(CVD)在每根玻璃纤维表面生长石墨烯"表皮"，构建了层级导电网络，兼具优异导电性和机械柔韧性。然而，这种复杂结构使得传统"整体式"封装无法解决纤维间接触电阻波动导致的电学不稳定性问题，且在高温高湿环境下易发生性能退化。

北京大学的研究团队创新性地采用六方氮化硼(h-BN)共形封装策略，直接在GGFF的每根纤维上CVD生长高质量厚层h-BN薄膜。通过精确调控生长参数，实现了5.4-101.3 nm可调厚度的h-BN均匀包裹，形成超过300层的致密屏障。研究采用扫描电镜(SEM)、高分辨透射电镜(HR-TEM)和拉曼光谱等多尺度表征技术，证实了h-BN与石墨烯的原子级紧密界面和优异晶体质量。

在"h-BN封装解锁GGFF导电网络"部分，研究通过建立等效电路模型，阐明原始GGFF中纤维接触电阻(R_c1)和纱线接触电阻(R_c2)对整体导电性的影响机制。实验显示20g载荷可使GGFF电阻下降400Ω，而h-BN/GGFF电阻波动<5Ω。弯曲、按压和振动测试中，传统聚酰亚胺(PI)整体封装仅能降低30%电阻波动，而h-BN共形封装可完全消除形变引起的电学不稳定性。

关于"h-BN封装增强抗水汽能力"的研究发现，15.3 nm h-BN层使织物接触角提升至102.5°，168小时空气暴露后电阻变化<1%。拉曼和X射线光电子能谱(XPS)分析证实，h-BN能有效阻隔水分子导致的石墨烯p型掺杂，避免C-O/C=O键形成。水滴冲击实验显示，h-BN封装使织物电阻波动从123Ω降至可忽略水平。

在"h-BN封装增强高温抗氧化"方面，研究通过建立热-电耦合模型，揭示局部缺陷引发热失控的失效机制。实验观测发现，29.5 nm h-BN使电热器件在500℃下的稳定工作时间从3秒延长至1500分钟，失效传播速度降低四个数量级。柔性测试表明，即使120°弯曲状态下，h-BN/GGFF仍能保持均匀发热性能。

这项研究突破了非催化基底上厚层h-BN可控生长的技术瓶颈，提出的"从纤维尺度实现共形封装"策略，为复杂结构二维材料器件的环境稳定性问题提供了普适解决方案。相比传统整体封装，该技术不仅保持材料本征柔性和结构特征，还通过h-BN的迷宫效应和化学惰性，实现了电学稳定性与抗氧化性能的协同提升。研究团队指出，这种自下而上的封装理念可拓展至其他二维材料体系，推动柔性电子在航空航天、智能穿戴等极端环境下的应用。