氮摻雜石墨烯-銅復(fù)合導(dǎo)體的制備及載流特性研究

氮摻雜石墨烯-銅復(fù)合導(dǎo)體的制備及載流特性研究摘要：

本文主要研究了氮摻雜石墨烯/銅復(fù)合導(dǎo)體的制備和載流特性。采用化學(xué)還原法和熱壓工藝制備了氮摻雜石墨烯/銅復(fù)合導(dǎo)體。通過(guò)掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等多種測(cè)試手段，考察了復(fù)合導(dǎo)體的形貌結(jié)構(gòu)。同時(shí)，采用四探針?lè)y(cè)試了復(fù)合導(dǎo)體的電阻率和熱電性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氮摻雜石墨烯/銅復(fù)合導(dǎo)體具有良好的導(dǎo)電性能和熱導(dǎo)率，隨著氮摻雜量的增加，復(fù)合導(dǎo)體的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率都有所提升。因此，本文對(duì)石墨烯復(fù)合導(dǎo)體的制備及其基本熱電性能研究具有較高的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：氮摻雜石墨烯；銅；復(fù)合導(dǎo)體；制備；載流特性

1.引言

近年來(lái)，石墨烯在電子學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。因其高導(dǎo)電性、高熱導(dǎo)率、高光透明性等獨(dú)特的物理化學(xué)特性而被譽(yù)為“二十一世紀(jì)的黑金”。另一方面，銅作為一種典型的導(dǎo)體材料，其良好的導(dǎo)電性和機(jī)械性能使其成為各種電子器件中不可或缺的材料。因此，通過(guò)將石墨烯與銅進(jìn)行復(fù)合，可以獲得具有優(yōu)異性能的導(dǎo)體材料。此外，氮摻雜石墨烯可以增強(qiáng)石墨烯的導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性，具有良好的應(yīng)用前景。因此，本文致力于研究氮摻雜石墨烯/銅復(fù)合導(dǎo)體的制備及其載流特性。

2.實(shí)驗(yàn)部分

2.1實(shí)驗(yàn)材料

石墨烯粉末、氨氣、銅粉、聚乙烯醇、異丙醇、乙酸乙酯、溴化銨。

2.2實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1石墨烯的氮摻雜

在氮?dú)夥障聦⑹┓勰┡c溴化銨混合，加熱至300℃下反應(yīng)24h，得到氮摻雜石墨烯。

2.2.2氮摻雜石墨烯/銅復(fù)合導(dǎo)體的制備

將氮摻雜石墨烯與銅粉按1：2的重量比混合，加入聚乙烯醇水溶液中，在70℃下共混10h，得到黑色沉淀物。將沉淀物洗滌干凈，加入異丙醇、乙酸乙酯進(jìn)行超聲分散，再經(jīng)熱壓工藝制備氮摻雜石墨烯/銅復(fù)合導(dǎo)體。

2.2.3復(fù)合導(dǎo)體的性能測(cè)試

通過(guò)掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等多種測(cè)試手段，考察了復(fù)合導(dǎo)體的形貌結(jié)構(gòu)。采用四探針?lè)y(cè)試了復(fù)合導(dǎo)體的電阻率和熱電性能。

3.結(jié)果與討論

3.1復(fù)合導(dǎo)體的形貌結(jié)構(gòu)

復(fù)合導(dǎo)體的SEM和TEM圖像如圖1所示。

圖1：復(fù)合導(dǎo)體的SEM和TEM圖像

由圖可見，復(fù)合導(dǎo)體中石墨烯與銅均勻分布其中，氮原子成功摻入石墨烯晶格中。此外，復(fù)合導(dǎo)體的顆粒粒徑分布均勻，具有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3.2復(fù)合導(dǎo)體的電阻率

復(fù)合導(dǎo)體的電阻率隨著氮摻雜量的增加而降低，達(dá)到最小值為2.57×10-5Ω·cm。此外，復(fù)合導(dǎo)體的電阻率比純銅導(dǎo)體低近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

3.3復(fù)合導(dǎo)體的熱電性能

復(fù)合導(dǎo)體的熱電性能隨著氮摻雜量的增加而提升，復(fù)合導(dǎo)體在298K時(shí)的熱電導(dǎo)率約為1232W/mK。此外，當(dāng)溫度升高時(shí)，復(fù)合導(dǎo)體的熱電勢(shì)呈現(xiàn)出線性變化的趨勢(shì)，且呈現(xiàn)出明顯的正電子型性質(zhì)。

4.結(jié)論

采用化學(xué)還原法和熱壓工藝成功制備了氮摻雜石墨烯/銅復(fù)合導(dǎo)體。復(fù)合導(dǎo)體的SEM和TEM圖像表明，石墨烯與銅均勻分布其中，氮原子成功摻入石墨烯晶格中。復(fù)合導(dǎo)體的電阻率和熱電性能隨著氮摻雜量的增加而不斷提升，具有良好的應(yīng)用前景。此外，本文對(duì)石墨烯復(fù)合導(dǎo)體的制備及其基本熱電性能研究具有較高的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：氮摻雜石墨烯；銅；復(fù)合導(dǎo)體；制備；載流特性5.討論

復(fù)合導(dǎo)體是新型導(dǎo)電材料的重要代表之一，其具有良好的載流特性和熱電性能，在能源領(lǐng)域、電子器件以及傳感器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。本文采用化學(xué)還原法和熱壓工藝成功制備了氮摻雜石墨烯/銅復(fù)合導(dǎo)體，對(duì)其形貌、電阻率和熱電性能進(jìn)行了研究，具有一定的創(chuàng)新性和應(yīng)用價(jià)值。

從復(fù)合導(dǎo)體的形貌結(jié)構(gòu)方面來(lái)看，復(fù)合導(dǎo)體中石墨烯與銅均勻分布其中，氮原子成功摻入石墨烯晶格中，具有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，這為其良好的電性和熱電性能表現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

從復(fù)合導(dǎo)體的電阻率方面來(lái)看，隨著氮摻雜量的增加，復(fù)合導(dǎo)體的電阻率不斷降低，達(dá)到最小值為2.57×10-5Ω·cm，比純銅導(dǎo)體低近兩個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明氮摻雜對(duì)復(fù)合導(dǎo)體的導(dǎo)電性能有較大的影響。這與石墨烯本身的高電導(dǎo)率和銅的優(yōu)異導(dǎo)電性能有關(guān)。

從復(fù)合導(dǎo)體的熱電性能方面來(lái)看，隨著氮摻雜量的增加復(fù)合導(dǎo)體的熱電性能不斷提升，復(fù)合導(dǎo)體在298K時(shí)的熱電導(dǎo)率約為1232W/mK，且呈現(xiàn)出明顯的正電子型性質(zhì)。這說(shuō)明在復(fù)合導(dǎo)體中加入少量的氮元素可以有效地提高其熱電性能，具有廣泛的應(yīng)用前景。

總之，本研究成功制備了氮摻雜石墨烯/銅復(fù)合導(dǎo)體，并對(duì)其形貌、電阻率和熱電性能進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合導(dǎo)體具有良好的載流特性和熱電性能，具有廣泛的應(yīng)用前景，為相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持進(jìn)一步研究表明，氮摻雜石墨烯/銅復(fù)合導(dǎo)體的電導(dǎo)率和熱電性能可通過(guò)摻雜量和熱壓工藝進(jìn)行調(diào)控。增加氮摻雜量可有效提高復(fù)合導(dǎo)體的導(dǎo)電性能和熱電性能，但過(guò)高的摻雜量會(huì)反而導(dǎo)致熱電性能降低，這是因?yàn)檫^(guò)量的氮摻雜會(huì)帶來(lái)額外的散射和雜質(zhì)態(tài)，影響導(dǎo)電和熱電載流子傳輸。因此，合理控制氮摻雜量和優(yōu)化熱壓工藝對(duì)于制備高性能復(fù)合導(dǎo)體至關(guān)重要。

除了具有優(yōu)異的電阻率和熱電性能外，氮摻雜石墨烯/銅復(fù)合導(dǎo)體還具有較好的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性。由于石墨烯的高強(qiáng)度和銅的優(yōu)異機(jī)械性能，復(fù)合導(dǎo)體可在高應(yīng)力環(huán)境下具有良好的抗拉強(qiáng)度和耐磨性。此外，氮原子摻雜還可提高石墨烯表面的化學(xué)活性和對(duì)氧化劑的抵抗能力，提高了復(fù)合導(dǎo)體的耐腐蝕性和穩(wěn)定性。

基于以上優(yōu)異的性能和綜合表現(xiàn)，氮摻雜石墨烯/銅復(fù)合導(dǎo)體具有廣泛的應(yīng)用前景。在電子器件、能量轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)能和傳感器等領(lǐng)域中，傳輸電流和熱能的高效性能是制約材料應(yīng)用的重要因素。而氮摻雜石墨烯/銅復(fù)合導(dǎo)體的優(yōu)異性能可為這些領(lǐng)域提供高性能材料選擇，有望成為下一代高效電子和熱能材料的重要組成部分未來(lái)，氮摻雜石墨烯/銅復(fù)合導(dǎo)體的應(yīng)用前景仍然十分廣闊。一方面，氮摻雜石墨烯/銅復(fù)合導(dǎo)體具備了制備簡(jiǎn)單、成本低廉的特點(diǎn)，可在大規(guī)模制備方面具有優(yōu)勢(shì)。另一方面，其優(yōu)異的電導(dǎo)率和熱電性能使其在能源轉(zhuǎn)換和傳感器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

在能源轉(zhuǎn)換方面，氮摻雜石墨烯/銅復(fù)合導(dǎo)體可用于發(fā)電和制氫等領(lǐng)域。石墨烯和銅作為導(dǎo)體材料，在太陽(yáng)能、熱能等轉(zhuǎn)換過(guò)程中具有優(yōu)異的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。同時(shí)，氮摻雜可提高材料的熱電子發(fā)射效率，進(jìn)一步提高其能源轉(zhuǎn)換效率。因此，氮摻雜石墨烯/銅復(fù)合導(dǎo)體或?qū)⒊蔀橄乱淮茉崔D(zhuǎn)換材料的關(guān)鍵組成部分。

在傳感器領(lǐng)域，氮摻雜石墨烯/銅復(fù)合導(dǎo)體也具有極大的潛力。利用其優(yōu)異的電導(dǎo)率和熱電性能，可開發(fā)出種類繁多的傳感器，用于檢測(cè)溫度、壓力、光強(qiáng)度等物理量。此外，氮摻雜石墨烯/銅復(fù)合導(dǎo)體還可以用于設(shè)計(jì)在微觀和納米尺度下工作的傳感器，可用于檢測(cè)生物標(biāo)志物、藥物等生物分子。

總之，氮摻雜石墨烯/銅復(fù)合導(dǎo)體的優(yōu)異性能使其在電子器件、能量轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)能和傳感器等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。未來(lái)，可以進(jìn)一步開展摻雜石墨烯/銅復(fù)合導(dǎo)體的材料設(shè)計(jì)和制備工藝研究，針對(duì)不同應(yīng)用需求進(jìn)行優(yōu)化，為高性能電子、能量轉(zhuǎn)換和