蘇州納米所康黎星等在大載流、高導(dǎo)電碳納米管復(fù)合薄膜研究方面取得新進(jìn)展
導(dǎo)體材料是信息交互、電能傳輸和力、熱、光、電、磁等能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)性材料,在航空航天、新能源汽車、電力線路等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。隨著大功率器件的發(fā)展,對輕量化、大載流、高導(dǎo)電性材料的需求越來越迫切。單根單壁碳納米管(SWCNT)擁有極高的載流能力和電導(dǎo)率,載流能力比傳統(tǒng)金屬銅高出2~3個數(shù)量級,電導(dǎo)率更是銀的1000倍以上。然而,當(dāng)SWCNT組裝成宏觀薄膜的時候,由于碳管間電子/聲子散射的影響,載流能力和電導(dǎo)率會顯著降低,從而嚴(yán)重制約SWCNT薄膜在大功率器件領(lǐng)域的應(yīng)用。針對上述問題,中科院蘇州納米所康黎星研究員等人提出并研制了一種新型大載流、高導(dǎo)電碳納米管復(fù)合薄膜材料。研究團(tuán)隊采用化學(xué)氣相輸運法將CuI均勻高效地填充到SWCNT管腔中,制備出CuI@SWCNT一維同軸異質(zhì)結(jié)。SWCNT對CuI具有保護(hù)作用,保持了CuI的電化學(xué)活性,使其能夠在惡劣的酸性環(huán)境和長期電化學(xué)循環(huán)下保持穩(wěn)定性。通過電學(xué)測量發(fā)現(xiàn)CuI@SWCNT薄膜相較于SWCNT薄膜具有更優(yōu)的電導(dǎo)率和更強的載流能力,其載流能力提升4倍,達(dá)到2.04×107 A/cm2,電導(dǎo)率提升8倍,達(dá)31.67 kS/m。
圖1. (a) CuI@SWCNT合成過程示意圖;(b) CuI@SWCNT的透射電鏡圖像與相對應(yīng)的模擬透射電鏡圖像(c)和結(jié)構(gòu)模型示意圖(d);(e) CuI@SWCNT的STEM圖;(f-h) C、Cu、I的EDX元素mapping圖
圖2. (a-b) SWCNT和CuI@SWCNT的拉曼光譜;(c) SWCNT和CuI@SWCNT的紫外吸收光譜;(d-f) CuI@SWCNT在C 1s,Cu 2p和I 3d中的XPS光譜
圖3.(a) CuI@SWCNT器件結(jié)構(gòu)示意圖;(b) SWCNT和CuI@SWCNT器件的I-V特性曲線;(c) SWCNT和CuI@SWCNT的載流能力和電導(dǎo)率對比圖;(d) SWCNT和CuI@SWCNT與其它納米線的載流能力對比圖
圖4.(a) CuI和CuI@SWNT的循環(huán)伏安圖,箭頭表示掃描方向;(b) CuI和CuI@SWCNT在10個充放電循環(huán)后峰值電流衰減;(e-f) SWCNT和CuI@SWCNT的表面形貌圖,以及相同區(qū)域?qū)?yīng)的表面電位;(g) 內(nèi)嵌CuI后SWCNT的費米能級示意圖
SWCNT填充CuI后,SWCNT中電子流向CuI,導(dǎo)致SWCNT的費米能級降低;同時,在CuI@SWCNT一維范德華異質(zhì)結(jié)中SWCNT的結(jié)構(gòu)沒有被破壞,載流子依然保持高效的傳遞速率,進(jìn)而使得CuI@SWCNT薄膜具有更高的導(dǎo)電性和載流能力。CuI@SWCNT復(fù)合薄膜在未來高功率電子器件、大電流傳輸?shù)?/span>應(yīng)用中具有巨大潛力。相關(guān)工作以CuI Encapsulated within Single-Walled Carbon Nanotube Networks with High Current Carrying Capacity and Excellent Conductivity為題發(fā)表于Advanced Functional Materials,中科院蘇州納米所碩士生張蓉和博士后王秀君、張珍為論文共同第一作者。中科院蘇州納米所陳琪研究員、康黎星研究員和李清文研究員為共同通訊作者。該研究獲得了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的支持。
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