石墨烯因其卓越的力学性能和高热导率而备受关注。然而，石墨烯组装体（如纤维和薄膜）的电导率仅能达到理论石墨极限的一半左右，远低于其力学和热性能。这种差距凸显了理论指导的必要性，但石墨烯的原子尺度化学和层次化微观结构的复杂性使得这一任务极具挑战性。石墨烯纤维和薄膜由高度还原的氧化石墨烯（GO）片层组成的紧密堆叠层（CPLs）构成，这些CPLs被视为基本结构单元（BSUs），其微观结构排列对整体性能至关重要。尽管已有研究致力于优化石墨烯的微观结构和化学组成，但其性能极限仍未达到理论值，且对缺陷浓度和片层尺寸的依赖关系尚不清楚，这限制了性能提升的新技术开发。
在这项研究中，研究人员开发了一个集成框架，将量子输运计算、蒙特卡洛模拟和网络建模相结合，综合考虑了石墨烯基底平面内的带传输和跃迁，以及层间π-π耦合和隧穿效应。该框架以实验数据为依据，定量预测了平面内和层间电导率随sp²含量和片层尺寸的变化。研究结果揭示了在sp²含量接近60%时，基底平面内会发生渗透转变，且在高氧化（跃迁）和低氧化（带传输）极限下分别呈现出拉伸指数和线性缩放关系。此外，电导率对低浓度缺陷的容忍度高于热导率，且对片层尺寸的依赖性更强，表明从分散体中优先选择较大片层对电性能至关重要。该框架不仅弥合理论极限与实际性能之间的差距，还为结构波动和化学改性的额外效应提供了可扩展性，并激励了对基本结构单元及其界面的关键参数进行针对性实验表征，有助于构建全面的组成-加工-微观结构-性能图谱。
研究人员通过多尺度、多机制的理论框架，深入探讨了石墨烯组装体在实际条件下的电导率极限。研究表明，平面内传输在缺陷浓度增加时会从带传输转变为跃迁传输，表现出不同的缩放行为，而层间传输则随缺陷浓度平滑变化。在大尺寸极限下，电导率对缺陷浓度的依赖性小于热导率，而在高度还原的极限下，小尺寸片层的组装体电导率较低，但在临界片层尺寸以上会迅速接近石墨极限。片层尺寸的S型依赖关系定量地衡量了大尺寸石墨烯片层对高导电性纤维和薄膜的重要性。该研究不仅阐明了宏观电传输的关键因素，还预测了相对于石墨的实际性能极限，并提出了通过化学还原、高温石墨化和优先选择大片层来提高电导率的策略，同时强调了在基本结构单元水平上进行进一步实验表征的必要性。
https://doi.org/10.1021/acsnano.5c15334
Multimechanistic Electrical Transport in Macroscopic Graphene Assemblies: Bridging Theoretical and Practical Performance Limits
本文来自材料研究进展，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
