硫酸插层调控石墨颜色响应：实现多彩显示与智能窗应用的创新策略

本研究发现通过H2SO4插层可精准调控石墨薄片的颜色响应，揭示了插层阶段与厚度对颜色变化的协同作用机制。该技术通过调节石墨烯界面电荷密度与费米能级（EF），实现从浅蓝到深蓝的丰富色彩变化（如20nm呈蓝白色、206nm呈深蓝色），为反射式显示（Reflective Display）、防伪工程和智能窗（Smart Windows）提供了新材料策略。

　　

H₂SO₄插层

首先，通过机械剥离块状石墨晶体（中国南京MKNANO）在0.5毫米玻璃基底上制备超薄石墨薄片。基底上约有1000个石墨样品，厚度范围约为20至200纳米。随后，将另一块0.5毫米玻璃覆盖其上，形成石墨薄片夹于两玻璃板之间的三明治结构。

将(NH₄)₂S₂O₈（1.0克，Sigma-Aldrich）加入95-98% H₂SO₄（10.0毫升）中持续摇晃。约10分钟后，(NH₄)₂S₂O₈完全溶解，形成混合溶液。将该溶液滴加至夹层结构的边缘，利用毛细作用使溶液渗入石墨薄片区域。

结果与讨论

光学池设计为三明治结构，以同步研究H₂SO₄插层过程。浸没于(NH₄)₂S₂O₈-H₂SO₄混合溶液中的石墨材料置于两玻璃板之间，这可减少与大气水分的接触并确保成功插层。根据先前研究，初始氧化显著降低了硫酸分子在石墨烯层间的摩擦阻力[27, 28]。因此，插层过程得以快速启动。

通过拉曼光谱（Raman Spectroscopy）和原子力显微镜（AFM）监测插层动态，发现颜色变化与插层阶段（Stage 1和Stage 2）的混合比例密切相关。当Stage 1与Stage 2层数比例超过1时，出现显著颜色转变。不同厚度石墨表现出差异化颜色演化：20nm和50nm薄片仅产生单一新颜色（蓝白色和土黄色），而82nm和92nm薄片可呈现三至四种不同颜色。

结论

总之，我们通过H₂SO₄插层在石墨薄片中实现了均匀且丰富的颜色调控。这些颜色变化与混合插层阶段及石墨薄片厚度密切相关。插层过程中观察到明显的颜色转变，对应于不同的Stage 1与Stage 2混合比例。不同厚度石墨呈现差异化颜色演化，厚度越大颜色种类越多。