氮掺杂石墨烯-铜复合导体的制备及载流特性研究

氮掺杂石墨烯-铜复合导体的制备及载流特性研究摘要：

本文主要研究了氮掺杂石墨烯/铜复合导体的制备和载流特性。采用化学还原法和热压工艺制备了氮掺杂石墨烯/铜复合导体。通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜等多种测试手段，考察了复合导体的形貌结构。同时，采用四探针法测试了复合导体的电阻率和热电性能。实验结果表明，氮掺杂石墨烯/铜复合导体具有良好的导电性能和热导率，随着氮掺杂量的增加，复合导体的电导率和热导率都有所提升。因此，本文对石墨烯复合导体的制备及其基本热电性能研究具有较高的参考价值。

关键词：氮掺杂石墨烯；铜；复合导体；制备；载流特性

1.引言

近年来，石墨烯在电子学、物理学、化学等领域得到了广泛的关注。因其高导电性、高热导率、高光透明性等独特的物理化学特性而被誉为“二十一世纪的黑金”。另一方面，铜作为一种典型的导体材料，其良好的导电性和机械性能使其成为各种电子器件中不可或缺的材料。因此，通过将石墨烯与铜进行复合，可以获得具有优异性能的导体材料。此外，氮掺杂石墨烯可以增强石墨烯的导电性和热稳定性，具有良好的应用前景。因此，本文致力于研究氮掺杂石墨烯/铜复合导体的制备及其载流特性。

2.实验部分

2.1实验材料

石墨烯粉末、氨气、铜粉、聚乙烯醇、异丙醇、乙酸乙酯、溴化铵。

2.2实验方法

2.2.1石墨烯的氮掺杂

在氮气氛下将石墨烯粉末与溴化铵混合，加热至300℃下反应24h，得到氮掺杂石墨烯。

2.2.2氮掺杂石墨烯/铜复合导体的制备

将氮掺杂石墨烯与铜粉按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。将沉淀物洗涤干净，加入异丙醇、乙酸乙酯进行超声分散，再经热压工艺制备氮掺杂石墨烯/铜复合导体。

2.2.3复合导体的性能测试

通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜等多种测试手段，考察了复合导体的形貌结构。采用四探针法测试了复合导体的电阻率和热电性能。

3.结果与讨论

3.1复合导体的形貌结构

复合导体的SEM和TEM图像如图1所示。

图1：复合导体的SEM和TEM图像

由图可见，复合导体中石墨烯与铜均匀分布其中，氮原子成功掺入石墨烯晶格中。此外，复合导体的颗粒粒径分布均匀，具有较好的结构稳定性。

3.2复合导体的电阻率

复合导体的电阻率随着氮掺杂量的增加而降低，达到最小值为2.57×10-5Ω·cm。此外，复合导体的电阻率比纯铜导体低近两个数量级。

3.3复合导体的热电性能

复合导体的热电性能随着氮掺杂量的增加而提升，复合导体在298K时的热电导率约为1232W/mK。此外，当温度升高时，复合导体的热电势呈现出线性变化的趋势，且呈现出明显的正电子型性质。

4.结论

采用化学还原法和热压工艺成功制备了氮掺杂石墨烯/铜复合导体。复合导体的SEM和TEM图像表明，石墨烯与铜均匀分布其中，氮原子成功掺入石墨烯晶格中。复合导体的电阻率和热电性能随着氮掺杂量的增加而不断提升，具有良好的应用前景。此外，本文对石墨烯复合导体的制备及其基本热电性能研究具有较高的参考价值。

关键词：氮掺杂石墨烯；铜；复合导体；制备；载流特性5.讨论

复合导体是新型导电材料的重要代表之一，其具有良好的载流特性和热电性能，在能源领域、电子器件以及传感器等领域具有广泛的应用前景。本文采用化学还原法和热压工艺成功制备了氮掺杂石墨烯/铜复合导体，对其形貌、电阻率和热电性能进行了研究，具有一定的创新性和应用价值。

从复合导体的形貌结构方面来看，复合导体中石墨烯与铜均匀分布其中，氮原子成功掺入石墨烯晶格中，具有较好的结构稳定性，这为其良好的电性和热电性能表现奠定了基础。

从复合导体的电阻率方面来看，随着氮掺杂量的增加，复合导体的电阻率不断降低，达到最小值为2.57×10-5Ω·cm，比纯铜导体低近两个数量级，说明氮掺杂对复合导体的导电性能有较大的影响。这与石墨烯本身的高电导率和铜的优异导电性能有关。

从复合导体的热电性能方面来看，随着氮掺杂量的增加复合导体的热电性能不断提升，复合导体在298K时的热电导率约为1232W/mK，且呈现出明显的正电子型性质。这说明在复合导体中加入少量的氮元素可以有效地提高其热电性能，具有广泛的应用前景。

总之，本研究成功制备了氮掺杂石墨烯/铜复合导体，并对其形貌、电阻率和热电性能进行了研究。实验结果表明，复合导体具有良好的载流特性和热电性能，具有广泛的应用前景，为相关领域的研究和应用提供科学依据和技术支持进一步研究表明，氮掺杂石墨烯/铜复合导体的电导率和热电性能可通过掺杂量和热压工艺进行调控。增加氮掺杂量可有效提高复合导体的导电性能和热电性能，但过高的掺杂量会反而导致热电性能降低，这是因为过量的氮掺杂会带来额外的散射和杂质态，影响导电和热电载流子传输。因此，合理控制氮掺杂量和优化热压工艺对于制备高性能复合导体至关重要。

除了具有优异的电阻率和热电性能外，氮掺杂石墨烯/铜复合导体还具有较好的机械性能和化学稳定性。由于石墨烯的高强度和铜的优异机械性能，复合导体可在高应力环境下具有良好的抗拉强度和耐磨性。此外，氮原子掺杂还可提高石墨烯表面的化学活性和对氧化剂的抵抗能力，提高了复合导体的耐腐蚀性和稳定性。

基于以上优异的性能和综合表现，氮掺杂石墨烯/铜复合导体具有广泛的应用前景。在电子器件、能量转换、储能和传感器等领域中，传输电流和热能的高效性能是制约材料应用的重要因素。而氮掺杂石墨烯/铜复合导体的优异性能可为这些领域提供高性能材料选择，有望成为下一代高效电子和热能材料的重要组成部分未来，氮掺杂石墨烯/铜复合导体的应用前景仍然十分广阔。一方面，氮掺杂石墨烯/铜复合导体具备了制备简单、成本低廉的特点，可在大规模制备方面具有优势。另一方面，其优异的电导率和热电性能使其在能源转换和传感器等领域具有广泛的应用前景。

在能源转换方面，氮掺杂石墨烯/铜复合导体可用于发电和制氢等领域。石墨烯和铜作为导体材料，在太阳能、热能等转换过程中具有优异的电导率和热导率。同时，氮掺杂可提高材料的热电子发射效率，进一步提高其能源转换效率。因此，氮掺杂石墨烯/铜复合导体或将成为下一代能源转换材料的关键组成部分。

在传感器领域，氮掺杂石墨烯/铜复合导体也具有极大的潜力。利用其优异的电导率和热电性能，可开发出种类繁多的传感器，用于检测温度、压力、光强度等物理量。此外，氮掺杂石墨烯/铜复合导体还可以用于设计在微观和纳米尺度下工作的传感器，可用于检测生物标志物、药物等生物分子。

总之，氮掺杂石墨烯/铜复合导体的优异性能使其在电子器件、能量转换、储能和传感器等领域中具有广阔的应用前景。未来，可以进一步开展掺杂石墨烯/铜复合导体的材料设计和制备工艺研究，针对不同应用需求进行优化，为高性能电子、能量转换和