近日，美国亚利桑那州立大学Wonmo Kang团队在《Small》期刊上发表研究论文，系统揭示了石墨烯/铜（Cu-Gr）复合材料超高导电性的内在机制。研究团队通过化学气相沉积（CVD）技术在铜箔、铜丝和铜泡沫上可控生长不同形貌的石墨烯，结合四探针电导率测试与显微表征，首次定量阐明了石墨烯连续性、铜基底比表面积及截面曲率对复合材料导电性能的协同影响。实验表明，当10 μm直径铜丝表面覆盖连续单层石墨烯时，电导率较纯铜提升17.1%（达到约68.0 MS/m），超越了国际退火铜标准（IACS）。该工作为设计高性能铜-石墨烯复合导体提供了明确的理论指导和工艺路径。

01背景

铜是应用最广泛的导电材料，但其电导率已接近理论极限。石墨烯具有远超铜的电子迁移率（>200 000 cm²·V⁻¹·s⁻¹）和面内电导率（100 MS/m），被视为提升铜导电性能的理想增强相。然而，文献中铜-石墨烯（Cu-Gr）复合材料的电导率报道差异巨大（从10%到123% IACS不等），且存在两种相反观点：一种认为石墨烯可通过电荷掺杂显著提高铜的电导率；另一种则认为石墨烯-铜界面会引入额外电子散射，反而降低导电性。这种争议的根本原因在于缺乏对石墨烯形态、界面质量及铜基底几何特征的系统定量研究。

02文章亮点

为破解上述争议，研究团队采用CVD法在三种不同几何形态的铜基底（箔、丝、泡沫）上可控生长石墨烯，通过调节生长时间（10 s ~ 20 min）和苯蒸气流量（5 ~ 20 sccm），获得了三种典型石墨烯形貌：孤立岛状、连续单层和连续层下嵌入多层岛。结合拉曼光谱（I2D/IG、ID/IG）、光学显微镜和扫描电镜，系统表征了石墨烯的质量与连续性。

图1.  基于箔片、线材和泡沫的铜石墨烯复合材料（CGCs），在普通扫描电子显微镜（SEM）或光学显微镜（OM）成像条件下， 石墨烯在铜基底表面不可见;（a）化学气相沉积（CVD）后铜箔的顶视 OM 图像;铜晶粒大小不一，从几十微米到几百微米不等; 右上角的插图是 28 微米厚铜箔的横截面, 左下角的插图是放大后的表面形貌，可见平行线，部分线用白色箭头标出。插图中的比例 尺为 50 微米;（b-d）三种不同标称直径（80 微米、25 微米和 10 微米）的线材基 CGCs 的 SEM 图像。插图（b-d）为经抛光的线材 横截面，显示了其圆形几何形状。插图中的比例尺为 20 微米。（e-g）泡沫基 CGCs 的 3D 结构。在两个 OM 图像（e）顶视图和（f） 横截面视图中观察到随机取向的骨架。请注意，每个骨架都具有空心管结构。（g）骨架的 SEM 图像，展示了铜骨架的表面形貌。 在（g）中，白色箭头表示表面的波纹。

关键发现包括：

· 生长10 s：孤立石墨烯微岛（尺寸1~5 μm），ID/IG≈0.25，边缘缺陷多；

· 生长5 min：均匀连续单层石墨烯，I2D/IG≈3.1，缺陷极低（ID/IG≤0.1）；

· 生长20 min：连续单层下方出现额外嵌入的多层岛（沿铜晶界和轧制纹），IG分布出现长尾（最高达1000），导致界面电阻增加。

图2  展示了三种CVD条件对应的电导率变化趋势（以铜丝为例，苯流量10 sccm时电导率最高，达59.1 MS/m；铜泡沫在生长5 min时电导率升至66.5 MS/m）。

图2.  基于箔片、线材和泡沫的 CGC 的电导率（a - c）和拉曼光谱（d - f）（分别为第一、第二和第三列）。电导率作为 CVD 参数 的函数进行展示，其中（a）和（c）中的参数为 Gr 生长时间（tcvp），（b）中的参数为苯乙烯流量（rg）。在（a - c）中，Control 表示退火后的箔片（约 28 微米厚）、线材（约 80 微米厚）和泡沫（约 2 毫米厚）。每个图中的样本数量由 n 表示，95%置信水平 由误差线表示。

腐蚀防护性能：经过6个月大气暴露后，X射线光电子能谱（XPS）和导电原子力显微镜（cAFM）证明，连续单层石墨烯能有效抑制铜氧化（Cu²⁺卫星峰仅在未涂覆区域出现），而孤立岛状或嵌入多层会降低防护效果。

导电增强的几何效应：研究进一步对比了铜箔（比表面积0.00803 m²/g）、铜丝（80 μm直径，0.00577 m²/g；25 μm，0.0199 m²/g；10 μm，0.0512 m²/g）和铜泡沫（约0.0243 m²/g）的电导率提升量（Δσ）。结果显示，Δσ与铜基底的比表面积Aₛ呈强线性正相关（Δσ = 187·Aₛ，R²=0.922），符合混合定律推导的关系（Δσ ≈ ρ_Cu·Aₛ·σ_Gr·t_Gr）。其中10 μm直径铜丝因Aₛ最大，实现了17.1%的最高提升。此外，相同Aₛ下，曲面基底（丝、泡沫）的Δσ高于平面基底（箔），归因于曲率限制的电子运动增强了电子在石墨烯/铜界面的累积（图3e）。

图3.  三种不同类型的石墨烯增强铜基复合材料（CGCs）的电导率增强情况。（a）直径分别为 80 微米、25 微米和 10 微米的线材 基 CGCs 及其对照样品（退火铜线）的拉曼光谱；（b）上述样品的电导率。 （c）采用微计算机断层扫描技术获得的泡沫基 CGC 的三维图像。（c1）泡沫的三维视图，（c2）（c1）中圈出的连接体的放大视图，（c3）（c2）中 1 至 4 号连接体的横截面。红色 数字表示每个横截面的周长与面积之比。（d）箔基、线材基和泡沫基 CGCs 的电导率提升（Ao）与其比表面积（A）的关系。注意， Ao 是相对于每种 CGC 的退火纯铜对照样品而言的。黑色虚线是 AG-A 关系的线性拟合结果，R² = 0.922。（e）位于距离 Cu-Gr 界 面 & 处的电子（e-）的电子限制情况：（左）线材基 CGC，（右）箔基 CGC。r 是线材的半径，t 是箔的厚度。虚线圆的半径为铜 基体中电子的平均自由程（lcu）。α 和 β 是电子返回铜 - 石墨界面的临界角。请注意，由于两个石墨碳化物的几何形状不同，所 以 α > β 。

03小结与展望

该研究的核心价值在于：

1. 澄清了长存争议：石墨烯能否提升铜的电导率取决于石墨烯的连续性——连续单层石墨烯可提供无散射的弹道输运通道，并通过铜的电荷掺杂（费米能级上移约0.5 eV）显著提高载流子浓度；而孤立岛状或多层插入会引入额外的界面电阻和缺陷散射，反而降低性能。

2. 建立了定量设计准则：Δσ ∝ Aₛ（比表面积），且曲面基底（线、泡沫）因电子运动受限而获益更大。据此，可通过增大铜的比表面积（如使用细丝、泡沫或多孔结构）来进一步提升复合材料导电率。

3. 展示了实用化潜力：泡沫基CGC（宏观尺寸）同样遵循上述规律，且具备优异的抗氧化性，可通过卷对卷工艺实现规模化制备。研究团队计算得出，在Cu-Gr界面处石墨烯的有效电导率达6.23×10⁴ MS/m（比本征石墨烯高约600倍），证实了界面电荷掺杂的巨大效益。

未来，通过进一步优化石墨烯的连续性（消除多层嵌入）、设计更高比表面积的铜骨架（如纳米多孔铜）以及利用曲率效应，有望制备出电导率远超纯铜的实用型石墨烯/铜复合导体，满足下一代电力传输、电动汽车及人工智能基础设施对超高导电材料的迫切需求。

原文信息
Jiali Yao, Uschaus Dipta Das, Hamid Safari, Md Ashiqur Rahman Laskar, Junghoon Yeom, Umberto Celano, Wonmo Kang. Electrical Conductivity of CopperGraphene (CuGr) Composites: The Underlying Mechanisms of Ultrahigh Conductivity. Small, 2026. DOI: 10.1002/smll.202511348.