科普專欄 / Information

中科院科學家研究發現三維石墨烯泡沫材料中的電導率極大現象

在傳統泡沫材料中,電學性能通常不是最關鍵的性能。但是,三維石墨烯泡沫材料則截然不同,電學性能對于該材料在功能器件方面的應用尤為重要。事實上,合成三維石墨烯泡沫材料的一個重要目的就是為了繼承單層石墨烯卓越的電學性能。盡管實驗上一直嘗試研究甚至改進石墨烯泡沫材料的電學性能,但理論研究的缺乏制約了該方向的進一步發展。這一尴尬局面主要源于石墨烯泡沫材料的複雜性,如石墨烯薄片的多重自由度(層數、尺寸)以及該問題的多尺度特性(涉及到電子德布羅意波長、石墨烯薄片尺度、石墨烯薄片相互接觸的特征尺度)。

近期,中國科學院科學家團隊——力學研究所副研究員劉峰與王超合作提出了一種理論框架,系統研究了三維石墨烯泡沫的導電性能,并在該體系中發現了電導率極大現象。在該理論框架中,導電過程被分為兩個等級。第一級,即最底層,利用介觀輸運理論結合緊束縛模型研究石墨烯薄片間的電導。第二級,通過分子動力學模拟研究三維石墨烯泡沫材料的網狀結構,并提取平均接觸面積、平均接觸點密度等幾何特征。結合這兩方面信息即可理論計算石墨烯泡沫材料的電導及電導率。該研究發現石墨烯泡沫材料存在電導率極大現象(即随石墨烯薄片層數的增加,電導率先增大後減小),并進一步揭示了該現象的物理機制。

衆所周知,在傳統泡沫材料中,存在一個優化泡沫密度使熱絕緣能力達到最強,這源于固體中熱傳導與熱輻射之間的競争。而該研究首次在理論上提出存在一個優化層數使三維石墨烯泡沫材料電導率達到最大,并對其物理機制進行了系統研究。該工作為優化三維石墨烯泡沫材料的導電性能提供了理論基礎,并将促進該材料在功能器件方面的應用。

進一步,該研究還分析了變形下三維石墨烯泡沫材料的導電性能。在循環加載下,電阻的變化逐漸趨于穩定,同時伴随有滞回環的出現,這與實驗觀測定性一緻。由于大變形是泡沫材料的一個重要特性,研究大變形下石墨烯泡沫材料的導電性能對于應變傳感、應變調控等方面的實際應用具有重要的指導意義。

相關結果發表在Small上(F. Liu, C. Wang, Q. Tang, Conductivity Maximum in 3D Graphene Foams,Small 2018, 1801458)。該工作獲得國家自然科學基金、中科院B類先導項目的支持。

圖1.理論框架。(a)第一級:研究石墨烯薄片間的電導。

(b)第二級:提取平均接觸面積、平均接觸點密度等幾何特征。(c) 理論計算結果表明存在電導率極大現象

圖2. 外載作用下,三維石墨烯泡沫材料的電阻變化規律。(a)不同應變下,三維石墨烯泡沫材料的結構演化。

(b)電阻随應變的變化。(c)循環加載下電阻的變化。(d)第七次循環加載下電阻随應變的變化

(來源:中國科學院)

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