中國科學院上海微系統與信息技術研究所近日公開了一項名為 “一種基于電子束輻照制備高導電石墨烯 / 銅復合材料的方法” 的發明專利(申請公布號 CN 120700462 A)，該方法為高導電材料領域提供了全新解決方案。
在交通、電子、航天等領域對高性能導電材料需求日益增長的背景下，傳統銅及銅基復合材料已難以滿足需求。石墨烯雖具有極高的理論電子遷移率，但現有制備石墨烯 / 銅復合材料的方法普遍存在石墨烯質量差、分布不均的問題，導致產品電導率遠低于純銅。而這項新發明通過兩步核心工藝破解了這一難題。
該方法首先在銅箔表面通過化學氣相沉積法生長石墨烯薄膜，優選采用厚度為 10~50μm 的銅箔，碳源選用甲烷、乙烷等氣態碳源，且優選生長單層石墨烯以保證性能;隨后對石墨烯 / 銅復合材料進行電子束輻照處理，電子束曝光系統按順序對單次曝光區域曝光直至全覆蓋，其中加速電壓控制在 1~30keV(優選 10~25keV，更優 15~20keV)，輻照劑量為 10~12000μC/cm²(優選 50~8000μC/cm²，更優 100~5000μC/cm²)，單次曝光面積則在 10²~10?μm²(優選 10³~10?μm²)之間。
實驗數據顯示，該方法制備的復合材料導電性表現優異。其中實施例 1 采用 25μm 銅箔生長單層石墨烯，經 20keV 加速電壓、600μC/cm² 輻照劑量、10?μm² 單次曝光面積處理后，電導率達到 109.3% IACS，不僅明顯高于純銅(100% IACS)，甚至超過了純銀(106% IACS)。而當加速電壓降至 1.5keV 時(實施例 2)，電導率為 102.4% IACS，僅略高于純銅;輻照劑量提升至 1500μC/cm² 時(實施例 3)，電導率為 104.7% IACS，介于純銅與純銀之間，過高缺陷導致性能回落。值得注意的是，即使將單次曝光面積從 10?μm² 減至 10?μm²(實施例 4)，電導率仍保持 108.7% IACS，僅加工時長增加，證明工藝重復性良好，且在不同型號電子束曝光設備中均可復現。
這項技術通過電子束輻照調控石墨烯缺陷量、增加電子通道，實現了復合材料導電性的突破，有望為各行業高性能導電材料應用提供關鍵支撐。
