新研究可使三維石墨烯泡沫材料電導(dǎo)率達(dá)到最大

新研究可使三維石墨烯泡沫材料電導(dǎo)率達(dá)到最大

在傳統(tǒng)泡沫材料中，電學(xué)性能通常不是最關(guān)鍵的性能。但是，三維石墨烯泡沫材料則截然不同，電學(xué)性能對(duì)于該材料在功能器件方面的應(yīng)用尤為重要。事實(shí)上，合成三維石墨烯泡沫材料的一個(gè)重要目的就是為了繼承單層石墨烯卓越的電學(xué)性能。盡管實(shí)驗(yàn)上一直嘗試研究甚至改進(jìn)石墨烯泡沫材料的電學(xué)性能，但理論研究的缺乏制約了該方向的進(jìn)一步發(fā)展。這一尷尬局面主要源于石墨烯泡沫材料的復(fù)雜性，如石墨烯薄片的多重自由度（層數(shù)、尺寸）以及該問題的多尺度特性（涉及到電子德布羅意波長(zhǎng)、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(guó)科學(xué)院力學(xué)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(tǒng)研究了三維石墨烯泡沫的導(dǎo)電性能，并在該體系中發(fā)現(xiàn)了電導(dǎo)率極大現(xiàn)象。

圖1.理論框架。(a)第一級(jí)：研究石墨烯薄片間的電導(dǎo)。（b）第二級(jí):提取平均接觸面積、平均接觸點(diǎn)密度等幾何特征。(c)理論計(jì)算結(jié)果表明存在電導(dǎo)率極大現(xiàn)象。

圖2.外載作用下，三維石墨烯泡沫材料的電阻變化規(guī)律。（a）不同應(yīng)變下，三維石墨烯泡沫材料的結(jié)構(gòu)演化。（b）電阻隨應(yīng)變的變化。（c）循環(huán)加載下電阻的變化。（d）第七次循環(huán)加載下電阻隨應(yīng)變的變化。



在該理論框架中，導(dǎo)電過程被分為兩個(gè)等級(jí)。第一級(jí)，即最底層，利用介觀輸運(yùn)理論結(jié)合緊束縛模型研究石墨烯薄片間的電導(dǎo)。第二級(jí)，通過分子動(dòng)力學(xué)模擬研究三維石墨烯泡沫材料的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并提取平均接觸面積、平均接觸點(diǎn)密度等幾何特征。結(jié)合這兩方面信息即可理論計(jì)算石墨烯泡沫材料的電導(dǎo)及電導(dǎo)率。該研究發(fā)現(xiàn)石墨烯泡沫材料存在電導(dǎo)率極大現(xiàn)象（即隨石墨烯薄片層數(shù)的增加，電導(dǎo)率先增大后減小），并進(jìn)一步揭示了該現(xiàn)象的物理機(jī)制。



眾所周知，在傳統(tǒng)泡沫材料中，存在一個(gè)優(yōu)化泡沫密度使熱絕緣能力達(dá)到最強(qiáng)，這源于固體中熱傳導(dǎo)與熱輻射之間的競(jìng)爭(zhēng)。而該研究首次在理論上提出存在一個(gè)優(yōu)化層數(shù)使三維石墨烯泡沫材料電導(dǎo)率達(dá)到最大，并對(duì)其物理機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)研究。該工作為優(yōu)化三維石墨烯泡沫材料的導(dǎo)電性能提供了理論基礎(chǔ)，并將促進(jìn)該材料在功能器件方面的應(yīng)用。



進(jìn)一步，該研究還分析了變形下三維石墨烯泡沫材料的導(dǎo)電性能。在循環(huán)加載下，電阻的變化逐漸趨于穩(wěn)定，同時(shí)伴隨有滯回環(huán)的出現(xiàn)，這與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)定性一致。由于大變形是泡沫材料的一個(gè)重要特性，研究大變形下石墨烯泡沫材料的導(dǎo)電性能對(duì)于應(yīng)變傳感、應(yīng)變調(diào)控等方面的實(shí)際應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。



相關(guān)結(jié)果發(fā)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(guó)家自然科學(xué)基金、中科院B類先導(dǎo)項(xiàng)目的支持。

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