石墨烯作為一種理想的透射電鏡載網材料，在電鏡表征過程中顯示出其獨特的優勢。這種由單層碳原子構成的材料，由于其規則排列和厚度極小的特性，幾乎不會引入背景干擾，從而為單原子、有機小分子及生物大分子提供了極高的成像對比度。這不僅有利于高分辨率的結構解析，而且其優異的力學和電學性質還能有效地實現樣品負載，顯著減少由高能電子束輻照引起的樣品位移。特別是在冷凍電鏡生物大分子的高分辨結構解析中，石墨烯能有效避免氣液界面對生物大分子結構的損傷，進一步提升成像質量。因此，石墨烯在電鏡支撐膜等領域展現出了良好的應用前景。

在評估石墨烯透射電鏡載網的質量時，關注的兩個主要指標是懸空石墨烯的完整度與潔凈度。為了克服轉移過程中可能導致的石墨烯損傷，采用一種直接在生長基底上通過刻蝕方法制備支撐膜的新工藝路線（專利號ZL201811381142.1），從而避免了石墨烯的轉移步驟。此外，為了提高石墨烯的潔凈程度，還開發了一種異丙醇輔助的無膠轉移法，成功制備了超潔凈的石墨烯透射電鏡支撐膜（專利號CN201611019356.5）。然而，這兩種方法都面臨一個共同的挑戰：使用的石墨烯生長基底（如銅箔、銅鎳合金等）表面存在臺階、壓延線等不平整結構，這導致生長出的石墨烯復制了基底的粗糙結構，表面出現大量褶皺。這種褶皺，作為線缺陷，不僅降低了石墨烯的力學、電學和化學穩定性，而且在作為透射電鏡載網時，由于電子束輻照導致的樣品位移增大，進而降低了成像的分辨率和圖像質量。另一方面，商用電鏡載網雖然應用范圍廣泛，但由于其表面較高起伏的金屬柵格，轉移晶圓級超平整石墨烯的方法也面臨完整度低，潔凈度有待提升等問題。在冷凍電鏡表征中，基底的粗糙性還會影響到冰層的均勻性，這對于制備大面積、均勻且較薄的冰層不利。而晶圓石墨烯具有更高的潔凈度，減少了銅箔石墨烯在高溫下產生的無定形碳污染、表面形貌更平整具有更高的質量、更少的缺陷、具有優異的電學性能，適合規模化生產。本文聚焦一種基于分子自組裝的無膠轉移方法，通過廿四烷酸分子的低表面張力特性，實現晶圓級超平整石墨烯載網的批量化制備。

技術痛點：傳統方法的局限性

傳統石墨烯電鏡載網制備技術長期面臨三大核心挑戰。首先，銅箔基底的臺階、壓延線等不平整結構導致石墨烯表面粗糙度普遍＞2nm，電子束輻照下樣品位移顯著，直接限制成像分辨率。其次，PMMA等聚合物膠體在高溫刻蝕后產生無定形碳殘留，增加背景噪音，影響小分子/單顆粒成像對比度。最后，機械剝離法對高起伏載網（如1.2μm懸空碳膜）適配性差，破孔率＞20%，良品率難以提升。這些問題嚴重制約了石墨烯載網在冷凍電鏡等高端表征中的應用。

創新方法：分子自組裝驅動的無膠轉移

本方案的核心突破在于引入廿四烷酸分子自組裝機制，替代傳統聚合物膠體。廿四烷酸溶于丙酮（表面張力23mN/m）后，通過氫鍵（羧基間）和范德華力（烷基鏈）形成有序單層膜，取代PMMA膠體。其濃度控制在0.01%-1%范圍內，既保證分子自組裝的可控性，又避免過度堆積引發污染。分子間作用力（π-π堆積、疏水作用）提供均勻粘附力，使范德華力（～10^-3 N/m）遠低于PMMA膠體的彈性模量（～1GPa），有效緩解轉移應力。工藝流程標準化為：40μL/cm2廿四烷酸-丙酮溶液覆蓋載網，室溫揮發后實現晶圓石墨烯與Quantifoil載網的緊密貼合；1mol/L過硫酸鈉溶液（pH=1.5）室溫刻蝕1小時去除銅基底；200mL去離子水（30min×2次）+100mL異丙醇（1min×1次）清洗殘留刻蝕液及雜質。

關鍵步驟解析：從晶圓到載網的全流程控制

1.晶圓級石墨烯的生長與預處理

選擇4英寸藍寶石襯底，確保單晶石墨烯覆蓋率＞95%。掃描電鏡（SEM）確認無明顯缺陷后，利用Parafilm鑷子靜電吸附載網，避免機械夾取導致邊緣褶皺。該步驟通過物理吸附力（～0.1N）替代傳統鑷子夾持，減少載網形變風險。

2.分子自組裝貼合的微觀機理

丙酮揮發過程中，廿四烷酸分子通過氫鍵網絡形成連續膜層，填充載網與石墨烯間的微米級間隙。氫鍵（～40kJ/mol）與范德華力（～4kJ/mol）協同作用，使分子層厚度穩定在2-3nm，既保證界面結合力，又避免過度堆積。溶液揮發動力學研究表明，丙酮揮發速率（～0.5g/min）與分子自組裝速度匹配，確保貼合過程無氣泡殘留。

3.刻蝕與清洗的協同效應

過硫酸鈉的強氧化性（E°=1.8V）優先攻擊銅基底晶界，1小時刻蝕深度達100μm，確保石墨烯完整剝離。異丙醇（IPA）作為極性溶劑，通過氫鍵與非極性殘留物（如CuSO4·5H2O）相互作用，清除微量刻蝕副產物。實驗數據顯示，清洗后表面殘留污染物降至＜0.1ppm，顯著優于傳統方法（5-10ppm）。

性能驗證：多維度表征結果

本方法制備的石墨烯載網在關鍵指標上實現突破。表面粗糙度從傳統方法的1.2-2.0nm降至0.5nm，破孔率＜10%，遠低于傳統機械剝離法的＞20%。掃描電鏡表征顯示，1.2μm碳膜孔覆蓋率達92%，孔邊緣無撕裂痕跡。透射電鏡驗證中，選區電子衍射（SAED）顯示石墨烯晶格無畸變，半峰寬＜0.05nm，缺陷密度＜10??cm?2。拉曼光譜顯示2D峰（2680cm?1）半峰寬＜20cm?1，優于傳統方法（0.1-0.2nm）。原子力顯微鏡測量區域（13μm×13μm）表面起伏標準差σ=0.12nm，滿足冷凍電鏡薄冰制備需求（冰層厚度20nm±2nm）。

應用拓展：異質結轉移與規模化生產

本方法不僅適用于單層石墨烯，還可擴展至雙層石墨烯及異質結構建。雙層石墨烯轉移后層間距穩定在0.34nm，無堆疊錯位。通過疊層轉移，成功實現氮化硼-石墨烯異質結，界面無污染，電導率提升2個數量級。工業化評估顯示，單次處理4英寸晶圓可完成千級載網轉移，良品率＞90%。成本方面，廿四烷酸成本較PMMA降低80%，清洗步驟減少30%溶劑消耗，具備顯著經濟優勢。

結論：自組裝技術驅動的材料革命

本發明通過廿四烷酸的分子自組裝機制，成功突破石墨烯載網轉移的技術瓶頸。核心價值體現在：潔凈度提升至ppm級，背景噪音顯著降低，適配單原子成像需求；表面粗糙度突破0.5nm，抑制電子束漂移，成像分辨率達1.2?；工藝兼容性覆蓋多種載網（Quantifoil、金膜）及異質結結構，拓展至冷凍電鏡、量子器件等領域。未來可通過調整自組裝分子種類（如硫醇酸、氟代烷烴），進一步優化界面結合力與功能化修飾能力，推動石墨烯載網在納米科技中的規模化應用。