人們迫切需要高效率的導(dǎo)體，因?yàn)樗鼈兡茉趶V泛的應(yīng)用中帶來更高的工作性能和更少的能源消耗。然而，傳統(tǒng)導(dǎo)體的導(dǎo)電性能的改善是有限的，如金屬的提純和單晶生長。這里，通過在金屬(銅、鋁、銀)中嵌入石墨烯，克服了石墨烯中載流子遷移率與載流子密度之間的權(quán)衡，通過精細(xì)的界面設(shè)計(jì)和形態(tài)控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高的電子遷移率與高的電子密度。因此，在這種嵌有石墨烯的材料中，最高導(dǎo)電率比記錄的最高導(dǎo)電率高出三個(gè)數(shù)量級(Cu高出3000多倍)。使用石墨烯作為增強(qiáng)材料，在極低體積石墨烯含量(體積分?jǐn)?shù)僅為0.008%)的石墨烯/Cu復(fù)合材料中，其電導(dǎo)率高達(dá)國際退火銅標(biāo)準(zhǔn)的117%，明顯高于Ag的電導(dǎo)率。該研究結(jié)果對于提高金屬在電氣和電子中的應(yīng)用效率和節(jié)能具有重要意義，并且對于石墨烯中電子行為的基礎(chǔ)研究也具有重要意義。
Figure 1 CVD法石墨烯制備Gr/Cu復(fù)合材料。a-c)多層復(fù)合材料的堆積方法。d) Cu/Gr層/Cu界面結(jié)構(gòu)示意圖。e,f)石墨烯沉積前后Cu箔的EBSD圖。g) Cu/Gr/Cu界面的TEM圖。
Figure 2 大面積和納米尺度的電導(dǎo)率測量。a)Cu層厚度為9和25 µm的Gr/Cu多層復(fù)合材料的電導(dǎo)率。b) Gr/Cu多層復(fù)合材料中納米級的PF-AFM映射電流示意圖。c) 30 µm×30 µm Cu/Gr/Cu界面區(qū)域的映射圖。
Figure 3不同基質(zhì)Gr/Cu復(fù)合材料中沿界面區(qū)域的電流流動：a)多晶Cu，b) Cu(111)單晶和c) Cu(100)單晶。
Figure 4 石墨烯層數(shù)對電導(dǎo)率的影響。a)通過CVD工藝沉積在銅箔上的石墨烯的拉曼光譜，層數(shù)范圍為1到10。b)在30 µm×30 µm區(qū)域中沉積石墨烯的2D峰與G峰的強(qiáng)度比(I2D/IG)的等高線圖。c)不同石墨烯層數(shù)Gr/Cu復(fù)合材料中電流的比較。
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Figure 5第一原理計(jì)算。a,b) Cu/雙層-Gr/Cu復(fù)合材料的模型系統(tǒng)。c)電子頻帶結(jié)構(gòu)。d)摻雜石墨烯的狀態(tài)密度。
相關(guān)研究成果于2019年由上海交通大學(xué)張荻課題組，發(fā)表在Adv. Funct. Mater. (
https://doi.org/10.1002/adfm.201806792)上。原文：Ultrahigh Electrical Conductivity of Graphene Embedded in Metals
