人們迫切需要高效率的導體，因為它們能在廣泛的應用中帶來更高的工作性能和更少的能源消耗。然而，傳統(tǒng)導體的導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衡，通過精細的界面設計和形態(tài)控制，同時實現(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，最高導電率比記錄的最高導電率高出三個數(shù)量級(Cu高出3000多倍)。使用石墨烯作為增強材料，在極低體積石墨烯含量(體積分數(shù)僅為0.008%)的石墨烯/Cu復合材料中，其電導率高達國際退火銅標準的117%，明顯高于Ag的電導率。該研究結果對于提高金屬在電氣和電子中的應用效率和節(jié)能具有重要意義，并且對于石墨烯中電子行為的基礎研究也具有重要意義。
Figure 1 CVD法石墨烯制備Gr/Cu復合材料。a-c)多層復合材料的堆積方法。d) Cu/Gr層/Cu界面結構示意圖。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率測量。a)Cu層厚度為9和25 µm的Gr/Cu多層復合材料的電導率。b) Gr/Cu多層復合材料中納米級的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Gr/Cu復合材料中沿界面區(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峰的強度比(I2D/IG)的等高線圖。c)不同石墨烯層數(shù)Gr/Cu復合材料中電流的比較。
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Figure 5第一原理計算。a,b) Cu/雙層-Gr/Cu復合材料的模型系統(tǒng)。c)電子頻帶結構。d)摻雜石墨烯的狀態(tài)密度。
相關研究成果于2019年由上海交通大學張荻課題組，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
