グラフェンの電気伝導度に関するパワーモデルの進歩

Scientific Reports volume 13、記事番号: 1596 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

この研究は、トンネル長さ、界面の深さ、フィラーのサイズによるグラフェンベースのポリマー複合材料の導電率のべき乗方程式を示しています。 ナノ複合材料中のグラフェンナノシートの有効濃度と浸透の開始に対するこれらの要因の影響も表されます。 パーコレーションの開始と導電率について開発された方程式は、いくつかの例の実験データによって検査され、界面深さ、トンネルサイズ、パーコレーション指数を推定できます。 さらに、浸透の開始と導電率に対する多数の要因の影響が設計されています。 パーコレーションの開始について開発された方程式は、報告されたサンプル中に厚い界面と大きなトンネルが形成されることを示しています。 したがって、ポリマーグラフェンナノ複合材料のトンネル効果と界面空間を無視すると、パーコレーションの開始が過度に予測されます。 さらに、開発されたモデルは、サンプルの導電率について許容可能な計算を示します。 言及されたパラメータの中で、界面深さに加えて濃度とグラフェン導電率は、複合材料の導電率に最も強い影響を及ぼします。

多くの種類のナノ粒子が文献 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16 で報告されています。 グラフェンは、ナノスケールであり、高い導電性、高い剛性、大きな比表面積などの優れた特徴を備えた 1 原子の平面シートであり、ポリマーナノ複合材料の製造のための一般的なフィラーを置き換えることができます 17,18,19,20,21,22,23,24。 25、26、27、28。 単一のグラフェン ナノシートは最高の固有特性を示しますが、それを高品質、大規模、低コストで取得することには問題があります。 また、グラフェンが転がったり、スクロールしたり、しわが寄ったりする傾向は重要な課題であり、グラフェンのアスペクト比 (直径と厚さの比) と形態を劣化させます 29,30。

グラフェンの薄い層と大きな層は、フィラー含有量が低いポリマーナノ複合材料に導電性ネットを生成します 31,32。 浸透が始まるナノコンポジット中の一定のフィラー量を超えると、ネットが形成され、顕著な導電性が得られることが知られています。 パーコレーションの開始は、分散品質に加えてグラフェン層の寸法にも関係します33。 ポリマーグラフェンナノ複合材料の低いパーコレーション開始と高い導電率は、大きなアスペクト比、大きな特定の表層ゾーン、およびグラフェン層の均一な広がりによって評価されます 34 が、グラフェンの凝集、圧着、および困難なネットワーク化などのいくつかの望ましくない現象により、導電率の効率が低下します 35。

文献には、グラフェンを充填したサンプルの導電率に関する多くの実験研究があります 36、37、38。 彼らは、さまざまなナノコンポジットの充填剤含有量を少なくすることで、浸透の開始が不十分であり、優れた導電性を示すことを試みました。 ただし、グラフェン系のパーコレーションの開始と導電率に対するさまざまな要因の影響は研究されていません。 以前の記事では主にべき乗則パーコレーション理論を適用してパーコレーションの開始を近似し、導電率を解釈しました36、38、39。 実際、以前の研究では、これらのナノ複合材料で始まるパーコレーションのみに焦点を当てており、相間部分などのいくつかの重要な要素が導電率に及ぼす主な影響は無視されていました。

ポリマーナノ複合材料には、ナノ粒子の周囲に相間領域として第 3 相が含まれています 40、41、42、43、44、45、46。 ナノ粒子の大きな表面積とポリマーとナノフィラーの間の強い相互作用が主にナノフィラー近くのポリマー鎖に影響を与えるため、界面にはナノ粒子近くのポリマー鎖の構成の変化が含まれます。 したがって、中間相は、バルクポリマー鎖と比較して、より高い剛性と導電性を持ちます。 図 1 は、ナノ複合材料のグラフェンの周囲の界面を示しています。 間期の硬化の役割については、以前の研究で議論されています 47,48。 さらに、引張弾性率と強度によって界面特性を計算するための多くのモデルが開発されています49、50、51。 重要なことは、界面部分が隣接する 2 つのナノ粒子間の空間を減少させるため、界面部分の隣接するナノ粒子がフィラー ネットに参加してサンプル内で始まるパーコレーションを促進できることが示されたことです 52,53。 界面のネットワーク効率は CNT 製品の靭性においても研究されています 54 が、導電率に対するその効果は報告されていません。 一般に、グラフェン製品の導電率に対する界面の影響を示すモデルは存在しません。 さらに、トンネル効果はナノ複合材料の導電性において主要な役割を果たしているが55、56、57、このメカニズムは従来の理論では考慮することができない。 図1はナノ粒子周囲のトンネル空間を模式的に示したものです。 単純なべき乗則モデルは、フィラーの伝導、フィラーの合計、浸透の開始、および不明瞭な指数によって伝導率を予測します。 ただし、導電率はフィラーの形状、粒子サイズ、界面領域、トンネル効果などの多くのパラメーターに依存しますが、これらはこのモデルでは考慮できません。