CN114594120A - 一种氮掺杂石墨烯/铜丝高载流复合材料的制备方法 - Google Patents

一种氮掺杂石墨烯/铜丝高载流复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氮掺杂石墨烯/铜丝高载流复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将一定直径大小的铜线放入微波管式炉中，通入氢气进行退火处理；(2)将步骤(1)中得到的退火铜线利用电子束蒸发镀纳米金属镍膜；(3)将得到的铜镍材料利用如下图图示装置在其表面涂敷丝素蛋白有机碳源，并进行烘干；(4)将步骤(3)中烘干好的样品放入微波管式炉中，开启真空，通入氮气进行等离子体热处理，使丝素蛋白转化为氮掺杂石墨烯并包覆在铜线表面，获得氮掺杂石墨烯复合铜丝高载流复合材料。本发明解决了小尺寸丝状材料上丝素溶液难以涂抹均匀的问题，保证了由丝素转化成的氮掺杂石墨烯能够均匀地包覆住整根铜丝，使得铜丝的载流量得到提高。

Description

一种氮掺杂石墨烯/铜丝高载流复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及高载流复合材料技术领域，尤其是涉及一种氮掺杂石墨烯/铜丝高载流复合材料的制备方法。
背景技术
近年来，随着电子设备的不断小型化，电子设备的发展正在经历范式转变小型化，使电子设备具有更大的便携性和多功能性。同时，该这些设备的功能和性能已经增加。虽然晶体管存储设备的小型化可以跟上实际需要，但在为供电设备内的组件的导体(如铜和金)发展中进展很慢。随着设备尺寸的缩小，这就导致了更高的电流密度，达到了当今的传统导体(例如Cu和Au)设备的极限。事实上，这些器件中的电流密度器件早已经超过了Cu和Au的击穿限制。因此，具有较高载流量的新型导体需求量很大。
许多新兴技术领域对铜材料的要求越来越高，尤其对高载流铜材料有着很大的需求，实现高强高载流铜基材料的方法之一是将具有超高力学性能和电学性能的石墨烯与铜复合制备出复合材料。
石墨烯具有超高的载流子迁移率和远超过铜的最大载流量的特性，铜及其合金具有优异的导热性、导电性、耐腐蚀性等特性，因此成为重要的工业金属，在其基础上以石墨烯作为增强体形成新的复合材料，在力学性能、耐磨性、导热性、导电性、耐腐蚀性等方面得到很大提高，所以可将石墨烯与铜基体复合得到复合材料，以提高铜基体的载流能力。
制备高载流石墨烯/铜丝复合导体的重点和难点在于铜和石墨烯之间界面结合问题，铜丝的浸润性较差，故实际实验过程中铜与丝素蛋白溶液较难包覆在一起，所以需要在铜表面镀一层金属以形成良好的界面，以提高石墨烯铜丝复合导体的载流能力。本发明利用电子束蒸发在铜丝表面镀一层镍膜，从而提高铜丝的浸润性；利用马达对微米级的铜丝进行丝素蛋白溶液的旋涂工作，解决了小尺寸丝状材料上丝素溶液难以涂抹均匀的问题，并且操作安全简单、成本低廉，保证了由丝素转化成的氮掺杂石墨烯能够均匀地包覆住整根铜丝，使得铜丝的载流量得到提高。
发明内容
本发明是为了解决现有技术的石墨烯铜丝复合技术所存在的上述问题，解决了小尺寸丝状材料上丝素溶液难以涂抹均匀的问题，并且操作安全简单、成本低廉，保证了由丝素转化成的氮掺杂石墨烯能够均匀地包覆住整根铜丝，使得石墨烯/铜丝复合材料的载流量得到提高。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种氮掺杂石墨烯/铜丝高载流复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将一定直径大小的铜丝放入微波管式炉中，开启真空，通入氢气进行退火处理；
(2)将步骤(1)中得到的退火铜丝利用电子束蒸发镀纳米金属镍膜；
(3)将步骤(2)得到的铜镍丝材料表面涂敷丝素蛋白溶液，并进行烘干；具体步骤如下：将两个功率相同、转速相同的马达在等高的位置上对齐放置；两个马达中间固定一根粗铜丝(直径为500-1000μm)做连接，实现两个马达能够以相同的速率转动；再将样品铜丝用锡丝焊接在两个马达上；用胶头滴管将丝素溶液均匀地涂抹在样品铜丝表面；马达通电，实现涂有丝素蛋白的铜丝随着马达自传；结束通电，取下样品，基于红外烘烤灯进行烘干处理。
(4)将步骤(3)中得到的样品放入微波管式炉中，开启真空，通入氮气进行等离子体热处理，使丝素蛋白转化为氮掺杂石墨烯并包覆在铜丝表面，最后得到石墨烯/铜丝复合材料。
作为优选，步骤(1)中，铜丝的直径大于20微米，铜丝退火时氢气流量控制在50sccm，调节气压至200～300Pa，首先微波功率调至1000W，预热10分钟，然后调至1500W，反应时间15min。
作为优选，步骤(2)中，电子束蒸发镀纳米金属镍膜时，电子束束流为150mA，镀时长3min，镍膜厚度处于5-20nm之间。
作为优选，步骤(3)中，马达转速为17000r/h，给马达供电时间为60s，在红外烘烤灯下烘烤时间为1h。
作为优选，步骤(4)中，氮气流量控制在50sccm，调节气压至2000～300Pa，微波功率为2000W，反应时间25min。微波功率对石墨烯生长有较大影响，功率越高石墨烯的结晶性越好，但是功率过高又会产生sp3杂化型缺陷。
因此，本发明具有如下有益效果：以丝素蛋白为碳源，采用微波加热技术复合氮掺杂石墨烯和表面改性的铜丝，与传统的方法相比，在工艺上，步骤简单方法快速，与传统石墨烯复合铜丝材料相比，氮掺杂石墨烯可均匀分布包覆在铜丝表面，且载流能力得到了较大提高。
附图说明
图1是实施例1中铜丝表面电子束镀镍膜后的SEM、能谱图。反应铜丝沉积了一层镍膜，用于改善石墨烯与铜丝之间的亲润性。
图2是实施例1中氮掺杂石墨烯复合表面镍膜铜丝的宏观形貌图、表面SEM图，截面SEM图、石墨烯的拉曼谱图。反应了氮掺杂石墨烯均匀的包覆在铜丝表面，石墨烯与铜丝之间形成了良好的界面，石墨烯结晶性较好。
图3是实施例1中氮掺杂石墨烯复合铜丝材料以及对比纯铜丝的载流测试V-I关系图。
图4是实施例1中氮掺杂石墨烯复合铜丝材料和对比纯铜丝多次测量载流数值图。
图5是本发明氮掺杂石墨烯/铜丝高载流复合材料的制备方法的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例1：
(1)如图5所示，将直径50微米的铜丝放入微波管式炉中，开启真空，通入氢气，氢气流量控制在50sccm，调节气压至200～300Pa，首先微波功率调至1000W，预热10分钟，然后调至1500W，反应时间15min。
(2)将步骤(1)得到的退火铜丝放入电子束蒸发镀膜器内，放入镍靶材，将电子束束流调至150mA，镀膜时长为3min，镍膜厚度处于5-20nm之间。
(3)将两个功率相同、转速为17000r/h的马达放置在等高的泡沫上对齐，用一根直径为500μm的粗铜丝将两个马达焊接在一起。
(4)将镀好镍膜的铜丝焊接在两个马达上。
(5)用胶头滴管将丝素溶液均匀地涂抹在样品铜丝表面，用5号电池为其供电，旋涂60s，然后断开连接停止供电，取下电池。
(6)将(5)中样品置于红外烘烤灯下烘烤1h。
(7)将完成步骤(6)的样品置于等离子体微波中，在氮气(流量控制在50sccm)氛围中高温高压处理25min，其中微波功率为2000W。
(10)通过2651A数字源表测量其载流量。
(2)处理后，其SEM图和能谱图如图1所示；(9)处理后，冷却取出样品，即得到石墨烯复合铜丝高载流材料，其宏观形貌图、表面SEM图、截面SEM图、石墨烯的拉曼谱图、载流测试V_I关系曲线图及多次测量载流数值图分别如图2、图3、图4所示。
从图1可以看出铜丝沉积了一层镍膜，用于改善石墨烯与铜丝之间的亲润性。
从图2可以看出氮掺杂石墨烯均匀的包覆在铜丝表面，石墨烯与铜丝之间形成了良好的界面，石墨烯结晶性较好。
从图3、图4可以看出在相同尺寸及相同处理条件下，石墨烯复合铜丝材料与退火纯铜丝对比，其最大载流量有较大的提升。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (6)

1.一种氮掺杂石墨烯/铜丝高载流复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将一定直径大小的铜丝放入微波管式炉中，开启真空，通入氢气进行退火处理；
(2)将步骤(1)中得到的退火铜丝利用电子束蒸发镀纳米金属镍膜；
(3)将步骤(2)得到的铜镍丝材料表面涂敷丝素蛋白溶液，并进行烘干；具体步骤如下：将两个功率相同、转速相同的马达在等高的位置上对齐放置；两个马达中间固定一根粗铜丝做连接，实现两个马达能够以相同的速率转动；再将样品铜丝用锡丝焊接在两个马达上；用胶头滴管将丝素溶液均匀地涂抹在样品铜丝表面；马达通电，实现涂有丝素蛋白的铜丝随着马达自传；结束通电，取下样品，基于红外烘灯进行烘干处理；
(4)将步骤(3)中得到的样品放入微波管式炉中，开启真空，通入氮气进行等离子体热处理，使丝素蛋白转化为氮掺杂石墨烯并包覆在铜丝表面，最后得到石墨烯/铜丝复合材料。
2.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯/铜丝高载流复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，铜丝的直径大于20微米，铜丝退火时氢气流量控制在50sccm，调节气压至200～300Pa，首先微波功率调至1000W，预热10分钟，然后调至1500W，反应时间15min。
3.根据权利要求2所述的氮掺杂石墨烯/铜丝高载流复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，电子束束流为150mA，镀时长3min，镍膜厚度处于5-20nm之间。
4.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯/铜丝高载流复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，马达转速为17000r/h，给马达供电时间为60s，在红外烘烤灯下烘烤时间为1h。
5.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯/铜丝高载流复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，氮气流量控制在50sccm，调节气压至200～300Pa，微波功率为2000W，反应时间25min。
6.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯/铜丝高载流复合材料的制备方法，步骤(3)中，铜丝的直径为500-1000μm。
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