通过磁控溅射从煤制备高性能导电碳薄膜：靶材制备与沉积的系统性研究

《Applied Surface Science》：High-performance conductive carbon thin films from coal via magnetron sputtering: A systematic study of target fabrication and deposition

　　摘要要点：• 微/纳尺度煤基导电碳膜的沉积。• 煤基碳膜的生长与结构演化。• 在电子传输、光学及焦耳加热等方面的功能应用。引言煤主要被用作火力发电的燃料[1]、[2]。作为一种廉价且广泛使用的化石能源，目前煤仍缺乏清洁高效的利用途径。随着电子与半导体技术的快速发展，研究人员对导电碳基薄膜的开发表现出浓厚兴趣[3]、[4]。石墨烯、碳纳米管和碳纤维等传统碳源材料因其卓越的导电性而备受关注[5]、[6]、[7]。然而，这些碳材料成本高昂、合成条件苛刻，限制了其大规模商业化与实际应用[8]、[9]。因此，寻找来源广泛且低成本碳源材料已成为迫在眉睫的需求。煤作为一种丰富的天然富碳资源，被视为理想的碳源材料[10]、[11]。此外，研究表明煤的结构、电学和光学性质均可调控[12]、[13]，这使煤资源在电子领域具备可观的应用潜力。目前大多数煤基碳膜研究直接采用煤粉颗粒作为原料[14]、[15]、[16]。表S1与图S1分别总结并对比了不同工艺路线制备的煤基碳膜的相关参数。这些工艺本质上属于直接颗粒成膜路线。尽管这些制备方法相对简单，但同时也难以有效调控所得碳膜的结构性质。与此同时，由于煤颗粒本身固有的热解收缩特性，经热处理后这些煤基碳膜表面会出现不同程度的裂纹缺陷。因此，亟需寻求一种更合适的加工方法以实现煤基碳膜的精密制备与性能调控。在微纳制造中，蒸镀被认为是生产高质量功能薄膜最有效的技术[17]、[18]。考虑到煤中无定形碳结构在原子层面仍由不同杂化结构的碳原子构成，煤作为一种富含碳原子的前驱体具有潜在优势。因此，如何提取并转化这些碳原子成为解决该问题的关键。磁控溅射是一种实现原子尺度精密控制的高效技术[19]、[20]、[21]：原子经离子轰击从靶材中逸出，随后沉积于基底上，成核并生长成薄膜。因此，将煤用作碳源靶材，并结合磁控溅射技术溅射和沉积煤中的碳原子，有望实现煤基碳膜的精密制备。本工作开创性地提出了利用煤基靶材通过磁控溅射制备碳膜的新范式。首先通过液压成型和热处理制备了适用于直流磁控溅射的煤基碳靶，靶材制备过程中未添加任何粘接添加剂以避免外来因素影响。随后，以该煤基靶材作为碳源，在基底上沉积微/纳尺度碳基薄膜，并建立了最优溅射工艺。对所得煤基碳膜的结构、电学、力学和光电性能进行了系统表征与分析。研究结果验证了通过磁控溅射法制备功能性煤基导电碳薄膜的可行性，标志着煤的利用方式从传统的"燃料属性"向"材料属性"的根本性转变。在常规高端碳源成本高昂且稀缺的背景下，这一工艺路线为新型碳基导电材料的低成本、大规模制备开辟了一条极具前景的新路径。章节摘要原煤特性表1给出了12个原煤样品的工业分析、元素分析和粘结指数。对于不同煤种，无烟煤缩写为AC，褐煤缩写为BC，褐煤缩写为LC。例如1号无烟煤样品缩写为AC1。AC具有高碳和低挥发分含量的特点，而LC则表现相反的特性。根据不同煤种的粘结指数（G.R.I.），AC和LC本质上不具备粘结性……煤基溅射靶材的选择本研究中在实验室自制了十二种煤基靶材。首先，为保证溅射过程的稳定性和均匀性，靶材表面需具备良好的平整度和致密性。其次，鉴于靶材在磁控溅射过程中会承受高能离子轰击，靶材需具备足够的机械强度以避免开裂或破碎。此外，对于直流磁控溅射而言……结论本研究工作提出了一种煤资源清洁高效利用的新范式，实现了煤从传统能源向先进碳基材料的绿色转型。本研究中，以煤为原料制备了碳源靶材。通过直流磁控溅射技术，在基底上成功沉积和制备了微/纳尺度的煤基导电碳膜。研究发现表明，并非所有……CRediT作者贡献声明李重洋：撰写—初稿、可视化、调查研究。程杰：撰写—审阅与编辑、资金获取、形式分析、概念构想。张新月：软件。赖竞一：软件。邓九帅：资源、数据整理、概念构想。葛世荣：监督指导、项目管理、资金获取。利益冲突声明作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。致谢本工作得到了中央高校基本科研业务费专项资金（项目编号：2024ZKPYJD09）和中国国家自然科学基金（编号：52475235）的资助。作者：李重洋 | 程杰 | 张新月 | 赖竞一 | 邓九帅 | 葛世荣