苏州纳米所康黎星等在大载流、高导电碳纳米管复合薄膜研究方面取得新进展

导体材料是信息交互、电能传输和力、热、光、电、磁等能量转换的基础性材料，在航空航天、新能源汽车、电力线路等领域具有重要应用价值。随着大功率器件的发展，对轻量化、大载流、高导电性材料的需求越来越迫切。单根单壁碳纳米管（SWCNT）拥有极高的载流能力和电导率，载流能力比传统金属铜高出2~3个数量级，电导率更是银的1000倍以上。然而，当SWCNT组装成宏观薄膜的时候，由于碳管间电子/声子散射的影响，载流能力和电导率会显著降低，从而严重制约SWCNT薄膜在大功率器件领域的应用。针对上述问题，中科院苏州纳米所康黎星研究员等人提出并研制了一种新型大载流、高导电碳纳米管复合薄膜材料。研究团队采用化学气相输运法将CuI均匀高效地填充到SWCNT管腔中，制备出CuI@SWCNT一维同轴异质结。SWCNT对CuI具有保护作用，保持了CuI的电化学活性，使其能够在恶劣的酸性环境和长期电化学循环下保持稳定性。通过电学测量发现CuI@SWCNT薄膜相较于SWCNT薄膜具有更优的电导率和更强的载流能力，其载流能力提升4倍，达到2.04×107 A/cm²，电导率提升8倍，达31.67 kS/m。

图1. (a) CuI@SWCNT合成过程示意图；(b) CuI@SWCNT的透射电镜图像与相对应的模拟透射电镜图像(c)和结构模型示意图(d)；(e) CuI@SWCNT的STEM图；(f-h) C、Cu、I的EDX元素mapping图

图2. (a-b) SWCNT和CuI@SWCNT的拉曼光谱；(c) SWCNT和CuI@SWCNT的紫外吸收光谱；(d-f) CuI@SWCNT在C 1s，Cu 2p和I 3d中的XPS光谱

图3.(a) CuI@SWCNT器件结构示意图；(b) SWCNT和CuI@SWCNT器件的I-V特性曲线；(c) SWCNT和CuI@SWCNT的载流能力和电导率对比图；(d) SWCNT和CuI@SWCNT与其它纳米线的载流能力对比图

图4 (a) CuI和CuI@SWNT的循环伏安图，箭头表示扫描方向；(b) CuI和CuI@SWCNT在10个充放电循环后峰值电流衰减；(e-f) SWCNT和CuI@SWCNT的表面形貌图，以及相同区域对应的表面电位；(g) 内嵌CuI后SWCNT的费米能级示意图

SWCNT填充CuI后，SWCNT中电子流向CuI，导致SWCNT的费米能级降低；同时，在CuI@SWCNT一维范德华异质结中SWCNT的结构没有被破坏，载流子依然保持高效的传递速率，进而使得CuI@SWCNT薄膜具有更高的导电性和载流能力。CuI@SWCNT复合薄膜在未来高功率电子器件、大电流传输等应用中具有巨大潜力。相关工作以CuI Encapsulated within Single-Walled Carbon Nanotube Networks with High Current Carrying Capacity and Excellent Conductivity为题发表于Advanced Functional Materials，中科院苏州纳米所硕士生张蓉和博士后王秀君、张珍为论文共同第一作者。中科院苏州纳米所陈琪研究员、康黎星研究员和李清文研究员为共同通讯作者。该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

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