[先进铜基材料]高导电率是金属材料在电子、电气、通信领域的核心需求之一，在该研究领域长期信奉一条“金科玉律”：金属导电性的提高，必须尽可能的消除晶界、空位、杂质等晶格缺陷。这些不完美的缺陷结构会对电子产生散射作用，成为电流传输的“路障”。
与此同时，通过施加高压减少电子-声子相互作用，也能带来有限的导电性提升——如2GPa高压条件下，铜导电性仅提升2%。此外，传统材料科学的核心认知是晶粒细化作为强化金属的典型方法，会显著降低其导电性，这一矛盾导致金属的强度与导电性难以协同提升，成为领域内长期技术难题。因此，制备高纯单晶、减少晶粒尺寸，被视为追求金属导电性极致的唯一路径。
近日，上海交通大学张荻院士、熊定邦研究员团队与华东师范大学齐瑞娟团队合作，突破了消除缺陷提升金属导电性的传统认知，提出将晶格缺陷转化为导电优势的反向策略。通过异质界面辅助塑性变形在铜中形成大量严重晶格畸变缺陷，利用冷拔和退火过程中石墨烯与铜热膨胀系数失配而产生的内部巨型局部应力，显著抑制了电子-声子耦合、减少声子致电子散射，使铜在室温下获得>110% IACS的电导率（等效10GPa高压效果）；该方法制备的石墨烯-铜（Gr-Cu）复合线材还兼具高力学强度、高载流能力、低密度等优势，且无需极端外部条件，为高性能金属导体研发提供了可拓展方案，研究还证实了晶粒细化并非必然降低导电性。研究成果以题目“Enhancing electrical conductivity by defects in metals”发表在《Nature Communications》期刊。
01 反其道而行，性能超越白银
如何才能让特定的缺陷结构转变为有益的导电通道？研究团队展开逆向思考，提出一种全新策略：在纳米晶铜的晶界处，引入微量石墨烯（体积分数仅百万分之几十）作为异质界面。通过热压、热挤和连续冷拔等工艺，石墨烯在变形中起到了“润滑”和“钉扎”的双重作用，一方面协助铜实现超大的塑性变形（冷拔无断裂），另一方面抑制晶粒的动态回复与再结晶，并提升热稳定性（至少 773K），最终获得了纳米层状的微观结构。
铜作为最常用金属导体，自1913年国际退火铜标准（IACS，100% IACS为基准）确立后，导电性提升受限：7N级无氧铜电导率<103% IACS，无晶界单晶铜仅≈110% IACS。
通过异质界面（石墨烯-铜）辅助塑性变形实现铜的纳米晶化与晶格畸变，核心工艺为连续步骤，无中间退火，具体如下：
- 采用CVD法在 25μm铜箔上原位生长石墨烯，制备Gr-Cu箔；
- Gr-Cu箔叠层后在6×10⁻²Pa真空、30MPa压力下热压（400℃保温3h，900℃保温2h）；
- 750℃加热40min后热挤压为Φ13mm棒材，室温下连续冷拔至直径<0.03mm，真应变 ε≈12；
- 最终在氢/氩气氛中 300-500℃退火1h，获得Gr-Cu复合线材。
图1：超导电石墨烯-铜复合线材的制备、微观结构及性能。
冷拔后 Gr-Cu 形成纳米层状结构，直径 50μm的线材平均片层厚度约100nm，退火后晶粒轻微粗化至175±138nm，纳米层状结构仍保持。
该工艺最关键的一步在于后续的退火处理。由于石墨烯与铜的热膨胀系数存在巨大差异，在升温过程中，石墨烯在面内收缩而铜在膨胀，而冷却过程中则相反。这种博弈，在铜-碳界面附近产生了多向的、巨大的局域压应力，导致铜晶格发生严重的压缩畸变。但这些畸变并非无序的破坏，而是在异质界面辅助的塑性变形中进行精确“雕刻”。
图2：冷拔及退火态石墨烯-铜复合样品的微观结构与积分一维衍射图谱。
这些精心构造的、处于巨大压应力下的畸变纳米层，成为了性能提升的关键。研究展示的石墨烯-铜复合材料在性能雷达图上展现出了全面的优势。不仅导电率超越了银，还保留了铜的高载流能力、较低密度（约为银的85%）以及远低于银的成本。同时，得益于石墨烯的强化作用和纳米晶结构，其机械强度也显著高于纯铜和纯银。材料的相关核心性能数据如下。
该研究巧妙化解了长期以来的“强度-导电率倒置关系”难题困扰，鱼与熊掌，似乎可以兼得。
02探索深层原理，提供材料设计新范式
拉曼光谱表征显示，挤压后 Gr-Cu的石墨烯G峰蓝移≈30cm⁻¹，对应6.1-7.3GPa压应力，退火后冷拔应变ε≈12的Gr-Cu压应力超8GPa；同步辐射微衍射（μ-XRD）证实，退火后Gr-Cu出现各向异性晶格畸变，铜（111）晶面间距变化约10%，部分晶面受压收缩约5%，（200）晶面间距甚至膨胀27%（从1.80Å至2.29Å），第一性原理计算表明该畸变需数十GPa局部应力。
图3：加热过程中诱导局部应力的微观结构演变。
巨大的局域压应力大幅提升了导电性，其物理根源在于抑制了电子-声子耦合。金属电阻主要来源于电子被晶格（即声子）散射，而局域压应力可从根本上削弱该过程。第一性原理计算显示，铜的电子-声子耦合常数λ随压缩应变增大显著降低，应变达5%（与实验晶格畸变一致）时，电子与声子的相互作用大幅减弱。
团队通过3K至300K的电阻率温变测试验证了这一理论，发现退火态石墨烯-铜样品的电阻温度系数较冷拉态降低约12%，证实其中温区的电子-声子耦合被显著抑制。
这一切都归功于那些由热失配应力创造出的、处于极端压缩状态的畸变纳米层缺陷。这类缺陷为电子传输搭建了应力保护的高速通道，显著减少了电子在途中的“拥堵”和“损耗”，实现导电性的显著提升。
Gr-Cu在电导率、力学性能、综合特性上均实现突破，特别是室温电导率＞110% IACS；研究还证明，晶粒细化（一种典型的强化手段）并不总是导致导电性下降，通过与第二相（该研究为石墨烯）结合，可以协同实现高强度与高导电，颠覆传统晶粒细化认知。
这项研究跳出了追求结构完整性和相纯度的传统思路框架，提供了一种全新的材料设计范式：即通过可控引入和利用缺陷来获得超凡的材料性能。
通过常规塑性变形引入晶格畸变，以降低电子-声子相互作用并作为材料内禀属性固定，效果显著且无需依赖高压等极端外场。同时，与第二相（石墨烯）结合，可以协同提高强度与导电性能。这种“一石多鸟”的策略具有很强的可扩展性，有望应用于其他金属/二维材料体系，为开发兼具优异电学性能和其他功能特性的先进复合材料开辟道路，将在电力、通信及其他高端电气系统中，展现出巨大的应用潜力和价值。
文献信息
Zhang, X., Xiong, DB., Zhang, Y. et al. Enhancing electrical conductivity by defects in metals. Nat Commun (2026).
https://doi.org/10.1038/s41467-026-69357-5
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