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随着电动汽车、人工智能算力中心、加密货币挖矿等新兴产业的爆发式增长，全球电力传输损耗已高达16%，提升导体效率成为降低能耗的关键。铜作为当前应用最广泛的导体，其电导率已接近理论极限，而石墨烯凭借超高的电子迁移率（>200000 cm²·V⁻¹·s⁻¹）、优异的本征电导率（100 MS/m）以及与铜的弱相互作用特性，被视为突破铜基导体性能瓶颈的理想增强相。然而，在铜-石墨烯（CGC）复合导体领域，石墨烯的引入究竟如何影响电导率，长期以来存在巨大争议，性能报道从远低于纯铜到超越国际退火铜标准（IACS）不等，其背后的物理机制尚不明确。
2026年，美国亚利桑那州立大学Wonmo Kang教授团队在《Small》期刊上发表题为“Electrical Conductivity of Copper-Graphene (Cu-Gr) Composites: The Underlying Mechanisms of Ultrahigh Conductivity”的研究论文。该研究通过精确控制化学气相沉积（CVD）工艺参数，在铜箔、铜丝和铜泡沫上生长不同形态的石墨烯，系统揭示了石墨烯特性与铜基体几何结构对复合材料电导率的协同影响机制。首次明确了CGC电导率提升的三个核心规律：连续单层石墨烯是电导率提升的前提；电导率提升幅度与铜基体比表面积呈强线性正相关；弯曲横截面结构可进一步放大石墨烯的增强效应。研究在铜丝基CGC中实现了17.1%的电导率提升（达68.0 MS/m），同时证实石墨烯包覆层可使复合材料具备优异的抗氧化性能，为高性能CGC导体的规模化制备与应用奠定了理论基础。
01核心内容
该研究提出了一种“石墨烯形态与铜基体几何协同调控”的策略，通过系统改变CVD生长时间和气体流速，在三种典型铜基体（箔、线、泡沫）上分别制备了三种不同形态的石墨烯：孤立的石墨烯岛、连续单层石墨烯以及带有插入岛的连续多层石墨烯。研究发现，连续的单层石墨烯是获得最佳电性能的关键。在此基础上，团队进一步揭示了电导率提升与铜基体比表面积（As） 成正比，且弯曲截面（如丝线）比平面（如箔）具有更显著的增强效果。这种协同设计有效规避了石墨烯不连续带来的额外电子散射和界面电阻问题，充分发挥了石墨烯高载流子迁移率及铜对其的电子掺杂效应，最终实现了强度与导电性的协同突破。
02研究成果
1、石墨烯形态对电导率的决定性影响
团队通过调控CVD参数，在铜箔上成功构建了三种石墨烯形态，并发现CGC的电导率随着石墨烯形态的演变呈现规律性变化：从不连续的孤立岛到连续单层再到多层插入，电导率先升后降。其中，具有连续单层石墨烯的样品展现出最佳的电性能，无论是箔、丝线还是泡沫基CGC，其最高电导率均对应最高的拉曼I2D/IG比值（表征单层石墨烯质量）。不连续的岛状石墨烯会引发额外电子散射，而过量的多层插入则增加界面电阻并阻碍电子转移，两者均会降低电导率。
2、铜基体几何结构的强化效应
研究进一步表明，铜基体的几何结构对石墨烯增强效果影响显著：
（1）比表面积依赖性：电导率提升值（Δσ）与铜基体的比表面积（As）呈线性正比关系（Δσ = 187As），泡沫和细丝因具有更大的比表面积，因而获得更高的电导率提升。
（2）曲率效应：具有弯曲截面的铜丝线（直径10 μm）实现了17.1%的最高电导率提升，远超平面铜箔（1.04%）。团队提出，弯曲表面对电子的几何约束增加了电子与石墨烯界面相互作用的概率，从而更有效地利用石墨烯的高导电性。
3、优异的导电性与抗氧化性
得益于优化的石墨烯质量和铜基体结构，CGC展现出卓越的综合性能：
（1）创纪录的高导电率：10 μm直径的铜-石墨烯复合丝线达到了68.0 MS/m（约117% IACS） 的电导率，优于国际退火铜标准。
（2）化学稳定性：XPS和cAFM表征证实，连续的石墨烯涂层可作为高效的抗氧化扩散屏障，在环境空气中存放6个月后仍能有效保护铜基体免受氧化，其效果优于不连续或多层石墨烯。
4、协同增强的物理机制
团队通过实验揭示了石墨烯增强电导率的协同机制：
（1）电子掺杂效应：铜向石墨烯转移电子，增加了石墨烯的载流子浓度，而不损害铜基体的电子结构，实现了“1+1>2”的协同增效。
（2）弹道输运与低散射路径：连续的单层石墨烯为电子提供了长程弹道输运通道，而高纯度、低缺陷密度的铜基体和清洁的Cu-Gr界面则确保了电子在铜中的低散射传输。
（3）几何约束增强：弯曲界面（如丝线）在微观上限制了电子的运动轨迹，增加了电子与高导电石墨烯的交互概率，进一步放大了石墨烯的增强效果。
图1 箔基、丝线基和泡沫基铜-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（Gr）在铜基底表面不可见。（a）CVD后铜箔顶视图的OM图像。铜晶粒尺寸不一，从几十微米到几百微米不等。右上角插图为28 µm厚铜箔的横截面。左下角插图为更高放大倍数下的表面形貌。图中可见平行线条，部分由白色箭头标出。插图中的比例尺均为50 µm。（b–d）三种不同标称直径（80 µm、25 µm和10 µm）的丝线基CGCs的SEM图像。（b–d）中的插图为抛光后的CGC丝线横截面，显示其经CVD后仍保持圆形几何形状。（b–d）中所有比例尺均为20 µm。（e–g）泡沫基CGCs的三维结构。在两幅OM图像中可观察到随机取向的韧带：（e）顶视图和（f）横截面视图。注意每条韧带均为中空管状结构。（g）韧带的SEM图像，展示铜韧带表面形貌。其中白色箭头指示表面波纹。
图2 使用三种不同生长时间（tCVD）在铜箔上合成的石墨烯（Gr）的表征：第一列、第二列和第三列分别对应于tCVD = 10秒、5分钟和20分钟。为进行详细测量，所有Gr样品均被转移到具有300 nm厚氧化硅层（SiO₂/Si）的硅基底上。（a–c）Gr在SiO₂/Si上的光学图像。（a）中左下角和右上角的插图分别显示更高放大倍数的光学图像和石墨烯岛的低压SEM图像。裸露的SiO₂/Si基底（紫色）和Gr覆盖区域（蓝色）分别由虚线白色箭头和实心白色箭头指示。（d–f）分别为来自（a）、（b）和（c）中相同样品的20 µm × 20 µm的I₂D/IG比值拉曼映射图。（f）直接取自（c）中的白色正方形区域。基于（d–f），I₂D/IG和IG的统计数据分别显示在（g–l）中。各分布图的样本量由（g–l）中的n表示。（m）Gr随生长时间增加经由三个不同步骤的生长机制：（从左到右）离散岛、连续层以及在新的成核位点处插入岛的连续层，也称为Stranski–Krastanov（SK）生长模型。
图3 箔基、丝线基和泡沫基CGCs（分别为第一列、第二列和第三列）的电导率（a–c）和拉曼光谱（d–f）。电导率显示为CVD参数的函数（(a)和(c)中为Gr生长时间(tCVD)，(b)中为苯流速(rB)）。(a–c)中，对照（Control）表示退火的铜箔（约28 µm厚）、铜丝（约80 µm直径）和铜泡沫（约2 mm厚）。每个图中的样本量由n表示，95%置信区间由误差条表示。
图4 CGCs的抗氧化性。（a,b）通过X射线光电子能谱（XPS）对退火铜泡沫（对照）和泡沫基CGCs进行表面组成表征。（a）对照（tCVD = 0）和tCVD = 2.5、5、10分钟的泡沫基CGCs在环境空气中存放4个月后的宽扫描图谱；（b）Cu2p（（a）中虚线矩形所示）的去卷积高分辨扫描图谱。O1s峰由红色箭头指示。（b）中空心圆和实线分别表示实验数据和峰去卷积拟合曲线。（c,d）具有tCVD = 10秒（孤立Gr岛）的箔基CGC在环境空气中存放6个月后的导电原子力显微镜（cAFM）结果。（c）随机选取区域（10 × 10 µm²）的形貌图，（d）同一区域在8 mV偏压下的相应电流图。（e,f）沿（c）和（d）中虚线所示的三个不同路径的高度和电流轮廓。（f）中灰色虚线表示电流测量的最小检测限（低于该限值的电流通常视为0 nA）。
图5 三种不同类型CGCs中石墨烯增强的电导率。（a）标称直径为80 µm、25 µm和10 µm的丝线基CGCs及其对照（退火铜丝）的拉曼光谱；（b）相应的电导率。（c）利用显微计算机断层扫描（micro-CT）获得的泡沫基CGC的三维图像。（a–c）中各图的样本量由n表示，95%置信区间由误差条表示。（c1）三维泡沫的概览图，（c2）韧带（（c1）中圆圈所示）的放大视图，（c3）（c2）中标记为1至4的韧带横截面。红色数值为各横截面的周长与面积之比。（d）箔基、丝线基和泡沫基CGCs的电导率提升值（Δσ）随其比表面积（As）的变化关系。注：Δσ是相对于各CGC对应的退火纯铜对照而言的。黑色虚线为Δσ-As关系的线性拟合结果，R² = 0.922。（e）位于距Cu-Gr界面距离为δ处的电子（e⁻）的电子限域效应：（左）丝线基CGC和（右）箔基CGC。r为丝线半径，t为箔材厚度。虚线圆代表电子在铜基体内的平均自由程（lCu）半径。α和β为电子返回Cu-Gr界面的临界角。注意，由于两种CGC几何结构不同，α > β。
03总结与展望
该研究成功解决了铜-石墨烯复合材料电导率长期存在的争议，明确了石墨烯的连续性和铜基体的几何结构是决定其电性能的关键因素。这项工作的核心创新在于，它不仅揭示了“连续单层石墨烯+高比表面积弯曲铜基体”是实现超高电导率的最优组合，还提出了比表面积（As） 作为预测和设计高性能CGC的有效参数。此外，石墨烯涂层赋予的优异抗氧化性极大地提升了导体的长期可靠性。
这项工作为设计和制造下一代高性能铜基导体开辟了新道路。其提出的卷对卷工艺制备铜泡沫基CGC的设想，为大规模、低成本生产超高导电导体提供了可行方案。这种材料在高功率输电、精密集成电路、新能源汽车等领域具有广阔应用前景。
信息来源：
https://doi.org/10.1002/smll.202511348
