石墨烯的導(dǎo)電性是決定其應(yīng)用的最重要因素之一，盡管其具有優(yōu)異的電子遷移率，但受其低載流子密度的限制，其導(dǎo)電性遠(yuǎn)低于包括銅在內(nèi)的傳統(tǒng)良導(dǎo)體。在這項(xiàng)工作中，提出了一種提高石墨烯導(dǎo)電性的一般方法，即將富含自由電子的Cu NPs引入晶體化良好的激光誘導(dǎo)石墨烯(LIG)中。采用激光感應(yīng)法制備了平均直徑為10 nm、Cu NPs分布均勻的LIG/Cu復(fù)合薄膜。值得一提的是，與Cu NPs復(fù)合的多孔石墨烯的電導(dǎo)率提高到0.37 × 10
7 S m
-1，是純LIG的3000倍。為了弄清這一顯著現(xiàn)象的機(jī)理，利用X-射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(XAFS)光譜對(duì)Cu -石墨烯界面的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步采用密度函數(shù)理論(DFT)計(jì)算揭示界面結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)電性能的影響。結(jié)果表明，具有表面氧化態(tài)(Cu
2+)的Cu NPs最有利于與石墨烯形成穩(wěn)定的鍵，有利于電子從Cu轉(zhuǎn)移到石墨烯。因此，在石墨烯薄膜中同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高載流子密度和遷移率，最終導(dǎo)致電導(dǎo)率顯著增強(qiáng)。研究結(jié)果對(duì)石墨烯的電導(dǎo)率調(diào)控具有重要意義。
圖1. (a)制備LIG/Cu的合成方案。(b) Cu NPs向石墨烯的電子轉(zhuǎn)移示意圖。
圖2. (a)不同銅負(fù)載樣品的電導(dǎo)率。(b)不同樣品載流子遷移率和密度的霍爾效應(yīng)測量。
圖3. (a) LIG/Cu的光學(xué)照片。(b) LIG/Cu的SEM俯視圖。(c) LIG/Cu的TEM圖像。(d) LIG/Cu的高分辨率TEM圖像。
圖4. (a)不同樣品的拉曼光譜、(c) XRD光譜和(d) XPS光譜。(b)不同樣品的D峰與G峰強(qiáng)度比(I
D/I
G)和2D峰與G峰強(qiáng)度比(I
2D/I
G)。(e) Cu 2p峰和(f) Cu LMM峰的高分辨率XPS光譜。
圖5. (a) Cu箔、Cu
2O、CuO和LIG/Cu-0.4樣品的K-edge歸一化XANES光譜比較。(b)Cu箔、Cu
2O、CuO和LIG/Cu-0.4樣品經(jīng)過傅里葉變換后的Cu K-edge (R空間，k
3)的EXAFS譜。(c) LIG/Cu-0.4樣品的Cu K-edge EXAFS光譜(R空間，k
3加權(quán))和相應(yīng)的擬合曲線。
圖6. (a) M1， (b) M2， (c) M3的電荷密度差圖。
圖7. (a) M1， (b) M2， (e) M3中Cu, C原子的分波態(tài)密度(PDOS)比較。Cu l和Cu 2分別表示次外層和最外層的Cu原子。C1和C2表示第一近鄰和第二近鄰的C原子。
相關(guān)研究成果由中國科學(xué)院固體物理研究所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)系、中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院光伏與節(jié)能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Liqing Chen等人于2023年發(fā)表在Chemical Engineering Journal (https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142139 )上。原文：A general way to manipulate electrical conductivity of graphene。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
