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超高电导石墨烯/铜复合材料与界面

来源:  发表时间:2021-09-13

高质量的单壁碳纳米管和单层石墨烯都具有较铜更高的电导率,是前进铜资料电导率的志向增强体。经过在铜基体中定向复合单壁碳纳米管,开始验证了在金属基复合资料中取得超高导电性的可行性。可是,由于金属性与半导体性单壁碳纳米管的分别和纯化还极具挑战性,且制备工艺不稳定,所取得的资料性质还不均匀乃至难以重复。石墨烯由于其二维平面碳原子层结构,虽然其电导率和结构的联络与碳纳米管不同,但在现在报导的石墨烯和金属复合的方法中,由于:1)复合过程中石墨烯的结构损坏,或为了促进复合在石墨烯中引进丰盛官能团和缺点,均导致石墨烯本征电导率低;2)强各向异性的二维石墨烯在基体中的取向调控难;3)石墨烯与金属之间界面湿润性差和反应控制难,难以取得优异电学接触复合界面,现在大多研讨标明,石墨烯的引进或多或少都会引起金属基体电导率的下降。


针对以上关键问题,我团队根据“微纳砖砌”复合方法,运用铜基体对石墨烯成长的催化作用,在铜片表面原位成长高质量石墨烯,以此为复合基元自组装制备“微纳砖砌”构型化石墨烯/铜基复合资料。由于铜片厚度为亚微米标准,自组装结束后,石墨烯则在亚微米标准均匀松懈,然后结束石墨烯的结构完整性和均匀松懈的协同,而且原位成长的石墨烯与铜基体特定的晶格位相联络和界面结合,有利于结束优异电学接触的复合界面。此外,“微纳砖砌”复合构型使得石墨烯在金属基体中取向分布,充分发挥强各向异性二维石墨烯对强度和电导功用的增强效益。一起,归纳“微纳砖砌“复合构型赋予的强韧化效应,毕竟制备了强度-塑/耐性-导电功用协同的石墨烯/铜复合资料。



以上原位成长石墨烯的构型化复合思路,在前进强度和模量的一起,底子坚持了基体的延伸率和电导率。在此基础上,我团队进一步展开了关于石墨烯对铜电导率的增强效应与机制研讨。运用化学气相堆积工艺取得高质量石墨烯/铜箔复合基元,有序堆叠、致密化烧结取得层状结构石墨烯/铜复合资料,结束高质量化学气相堆积石墨烯在铜基体内的高取向摆放和优异电学接触的复合界面。


微观四探针电导率剖析效果标明,该层状结构石墨烯/铜复合模型资料具有约117%IACS(世界退火铜标准)的高导电功用,明显高于纯铜和银的电导率。导电方式原子力显微镜对纳米标准电导剖析效果标明,石墨烯/铜复合界面微区电流分布峰值平均高出周围铜基体3个数量级(图6),意味着复合界面处具有超高的电导率。复合界面位相联络和石墨烯层厚等主要参数的定向调控进一步提醒了复合界面超高电导的影响规则:嵌于Cu(111)基体中,由于石墨烯与Cu(111)之间仅有3%的晶格失配,两者具有相似的晶格匹配与高度的对称性,复合界面导电才干较其他位相联络更高;此外,单层和双层石墨烯具有高的复合界面电导,且跟着石墨烯的层数增加,导电才干大幅下降。上述关于石墨烯能够明显前进复合界面以及复合资料电导的效果,为制备高强高导金属基复合资料供给了理论基础和实验参看。