Vorhersage des Tunnelwiderstands zwischen benachbarten Nanoblättern in Graphen

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 12455 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In dieser Arbeit wird der Tunnelwiderstand zwischen benachbarten Nanoblättern in Graphem-Polymer-Nanokompositen durch eine einfache Gleichung als Funktion der Eigenschaften von Graphen und Tunneln ausgedrückt. Dieser Ausdruck wird durch die Verbindung zweier fortschrittlicher Modelle für die Leitfähigkeit von mit Graphen gefüllten Materialien erhalten, die die Tunnelrolle und die Grenzflächenfläche widerspiegeln. Die Vorhersagen der angewandten Modelle werden mit den getesteten Daten mehrerer Proben verknüpft. Die Auswirkungen aller Faktoren auf den Tunnelwiderstand werden anhand der vorgeschlagenen Gleichung bewertet und interpretiert. Die Berechnungen des Tunnelwiderstands für die untersuchten Beispiele anhand des Modells und der vorgeschlagenen Gleichung zeigen die gleichen Werte, was die vorgestellte Methodik bestätigt. Die Ergebnisse zeigen, dass der Tunnelwiderstand durch supraleitendes Graphen, kleine Tunnelbreite, zahlreiche Kontakte zwischen Nanoblättern und kurze Tunnellänge abnimmt.

Mit Graphen gefüllte Produkte können in verschiedenen Bereichen wie Elektronik, elektromagnetische Abschirmung, Sensorik, Energiegeräte und Dioden eingesetzt werden, da Graphen ideale elektrische, mechanische, thermische und chemische Eigenschaften aufweist1,2,3,4,5,6,7,8, 9,10,11,12,13,14,15,16,17,18. Das höhere Seitenverhältnis und die größere Oberfläche von Graphen-Nanoblättern im Vergleich zu CNT führen zu einem geringeren Perkolationsbeginn und einer höheren Leitfähigkeit19. Daher haben sich die Forscher stark auf Polymer-Graphen-Nanokomposite konzentriert, um deren Leistung zu optimieren. In den neuesten Studien zu Polymer-Graphen-Nanokompositen wurde versucht, die Proben mit geringem Perkolationsbeginn und hoher Leitfähigkeit durch geringe Füllstoffmengen herzustellen20,21,22. Der Beginn der Perkolation hängt umgekehrt mit dem Aspektverhältnis des Nanofüllstoffs als Verhältnis von Durchmesser zu Dicke zusammen23, 24. Daher beeinflussen viele Parameter wie die Abmessungen, die Dispersionsqualität und die Aggregation/Agglomeration von Nanopartikeln den Beginn der Perkolation und damit die Leitfähigkeit des Nanokomposits.

Einige neue Parameter, die der Nanoskala zugeschrieben werden, einschließlich Tunneleffekt und Grenzschicht, können ebenfalls den Beginn der Perkolation beeinflussen. Das Tunnelwerkzeug steuert hauptsächlich die Leitfähigkeit von Nanokompositen (hier als Leitfähigkeit abgekürzt), da die Elektronen leicht über kleine Tunnel zwischen benachbarten Partikeln transportiert werden können25,26,27,28. Tatsächlich erfordert die Leitfähigkeit keine physikalische Verbindung von Nanopartikeln und so verändert der Tunneleffekt den Beginn der Perkolation in Nanokompositen. Allerdings haben sich nur wenige Forscher auf die Tunnelleitfähigkeit in CNT-basierten Produkten konzentriert29,30,31. Darüber hinaus kann die Grenzfläche aufgrund der großen äußeren Fläche der Nanopartikel den Beginn der Perkolation wirksam verringern. Die Grenzfläche ist die verarmte Polymerschicht an der Grenzfläche zwischen Füllstoff und Polymer32, 33. Die Grenzflächenbereiche, die die Nanopartikel bedecken, können sich verbinden und die Netze in den Proben bilden34,35,36,37,38. Dieses attraktive Thema wurde für das mechanische Verhalten von Polymer-Nanokompositen untersucht39,40,41,42,43, aber die Rolle der Interphase bei der Leitfähigkeit wurde vernachlässigbar untersucht.

Für die Leitfähigkeit von CNT-gefüllten Beispielen wurden verschiedene Gleichungen aufgestellt, wobei die Faktoren für CNT wie Menge, Welligkeit, Leitung und Seitenverhältnis angenommen wurden44,45,46,47. Außerdem haben nur wenige Studien über die Bedeutung des Tunneleffekts und der Grenzfläche für die Leitfähigkeit von CNT-Produkten berichtet34, 47, 48. Allerdings sind die Modellierungsarbeiten zur Leitfähigkeit von Systemen auf Graphenbasis wirklich unvollständig. In den erstgenannten Arbeiten wurde in der Regel der Beginn der Perkolation mit dem Seitenverhältnis des Füllstoffs korreliert und die Leitfähigkeit anhand der konventionellen Potenzgesetzgleichung beurteilt49,50,51. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in den vorangegangenen Studien die Phasenzwischenräume und Tunnel beim Beginn und bei der Leitfähigkeit der Perkolation nicht berücksichtigt wurden, während diese Faktoren hauptsächlich die genannten Begriffe steuern.

In dieser Studie werden zwei Modelle für die Leitfähigkeit von Proben auf Graphenbasis gekoppelt, um den Tunnelwiderstand anhand der Eigenschaften von Graphen und Tunneln zu beschreiben. Die Vorhersagbarkeit der verwendeten Modelle wird durch die experimentelle Leitfähigkeit einiger Proben aus der Literatur gewichtet. Darüber hinaus werden das neuartige Modell und die vorgelegte Gleichung verwendet, um den Tunnelwiderstand zu ermitteln. Darüber hinaus wird die neuartige Gleichung verwendet, um die Auswirkungen verschiedener Faktoren auf den Tunnelwiderstand zu bewerten und zu validieren.

Ein Polymer-Nanokomposit umfasst den Nanofüllstoff, die umgebende Grenzphase und Tunnel zwischen benachbarten Nanopartikeln. Abbildung 1 zeigt die genannten Komponenten in einem Graphen-Nanokomposit, in dem die Grenzfläche die Nanoblätter bedeckt und sich Tunnelzonen zwischen benachbarten Nanoblättern bilden.

Die Komponenten in Polymer-Graphen-Nanokompositen.

Die Leitfähigkeit in Polymer-Nanokompositen erfordert die Vernetzung leitfähiger Nanofüllstoffe, die oberhalb einer wesentlichen Füllstoffmenge zu Beginn der Perkolation auftritt20, 52.

Der Beginn der Perkolation in Polymergraphit-Nanokompositen wurde formuliert 24 durch:

Dabei geben „D“ und „t“ den Durchmesser und die Dicke der Bleche an und „λ“ die Tunnellänge. Gleichung 1 wurde für Graphitnanopartikel mit hohem Aspektverhältnis (D/t) abgeleitet. Da sowohl Graphen als auch Graphit ein hohes Seitenverhältnis haben, haben wir Gl. (1) für mit Graphen gefüllte Proben. Tatsächlich ähneln sehr dünne und lange Plättchen (hohes Seitenverhältnis) Graphen-Nanoblättern mit hohem Seitenverhältnis. Sowohl die Dicke als auch der Durchmesser der Plättchen/Nanoblätter spielen die Hauptrolle beim Einsetzen der Perkolation, wie in Gl. (1).

Unter der Annahme D > > λ, Gl. (1) wird vereinfacht als:

Die letztgenannte Gleichung kann unter der Annahme von Tunnel- und Grenzflächenzonen wie folgt weiterentwickelt werden:

wobei „ti“ die Interphasentiefe ist. Diese Gleichung stellt dar, dass der Beginn der Perkolation mit der Füllstoffgröße, der Phasenzwischentiefe und der Tunnellänge zusammenhängt. Gleichung 3 ist wahr, da der Beginn der Perkolation nachteilig vom Aspektverhältnis des Füllstoffs abhängt23, 24 und auch diese Gleichung einen dimensionslosen Parameter nahelegt. Gleichung 3 gilt nur für mit Graphen gefüllte Proben und kann die Perkolation nicht vorhersagen, wenn die Form der Füllstoffe unterschiedlich ist.

Die Grenzflächenbereiche erhöhen auch die Effizienz von Nanofüllstoffen in Nanokompositen, da sowohl Nanofüllstoffe als auch Grenzflächen die Netzwerke erzeugen. Der Gesamtvolumenanteil der Interphase in Polymer-Graphen-Nanokompositen2 ergibt sich aus:

wobei „\(\varphi_{f}\)“ der Anteil des Füllvolumens ist. Die Zwischenphasenbereiche können die Füllnetze ergänzen; Der effektive Volumenanteil des Nanofüllstoffs umfasst also die Anteile von Graphen und der umgebenden Grenzfläche wie folgt:

Außerdem kann der Prozentsatz der Nanoblätter, die zu den leitfähigen Netzwerken beitragen53, geschätzt werden durch:

Unter der Annahme, dass „\(\varphi_{eff}\)“ (Gl. 5) das „f“ zu Folgendem entwickelt:

Dies drückt aus, dass sowohl Graphen als auch Interphasenteile die Abmessungen leitfähiger Netzwerke beeinflussen.

Um die Rolle von Tunneln zwischen Nanoblättern für die Leitfähigkeit zu untersuchen, werden erweiterte Nanoblätter vorgeschlagen. Mit anderen Worten: Ein ausgedehntes Nanoblatt enthält die Graphen- und Tunnelzonen.

Der gesamte intrinsische Widerstand einer verlängerten Nanoschicht wird vorgeschlagen durch:

wobei „Rf“ und „Rc“ die Grundwiderstände von Graphen und Tunneln sind, in dieser Reihenfolge.

„Rf“ wird ausgedrückt als:

wobei „σf“ die Leitfähigkeit von Graphen ist.

Der Tunnelwiderstand setzt sich auch aus den Widerständen von Graphen und isoliertem Polymer innerhalb der Tunnel zusammen. Dementsprechend wird der Tunnelwiderstand durch die Widerstände von Graphen (Rg) und Polymer (Rt) in den Kontaktzonen angegeben als:

„Rg“ und „Rp“ können vorgeschlagen werden54 von:

Dabei ist „d“ der Tunneldurchmesser, „ρ“ der Tunnelwiderstand des isolierten Polymers und „S“ die Tunnelfläche (S ≈ d2).

Ersetzen der Gl. (11) und (12) in Gl. (10) ergibt den Eigenwiderstand von Tunneln als:

Dies bietet den gesamten intrinsischen Widerstand verlängerter Nanoblätter (Gleichung 8) als:

Zur Vorhersage der Leitfähigkeit wird der Gesamtwiderstand verlängerter Nanoblätter unter der Annahme von Tunneln herangezogen.

Die Gesamtleitfähigkeit ausgedehnter Nanoblätter (S/m) kann durch Umkehrung von „Rext“ ausgedrückt werden als:

Zwei Forscher45 erhielten eine Gleichung für die Leitfähigkeit (zufällige CNT) wie folgt:

Dabei ist „σ0“ die Leitfähigkeit des Polymermediums (10−13–10−15 S/m), die unbemerkt bleiben kann. Gleichung (16) kann angewendet werden, um die Leitfähigkeit in mit Graphen gefüllten Proben abzuschätzen.

Wenn die operative Füllstoffmenge (Gl. 5) und die Leitfähigkeit verlängerter Bleche (Gl. 15) in Gl. widergespiegelt werden. (16) ist die Leitfähigkeit gegeben durch:

was die Leitfähigkeit mit den Graphen-, Grenzflächen- und Tunneleigenschaften korreliert.

Weber und Kamal55 formulierten auch den Längswiderstand für faserbasierte Verbundwerkstoffe wie folgt:

Dabei zeigt „Af“ die Querschnittszone des Füllstoffs, „l“ die Faserlänge, „ρf“ den spezifischen Widerstand der Faser und „θ“ den Winkel zwischen den Fasern und dem Strompfad. Darüber hinaus steht „X“ für Links zur Kontaktnummer (m) von:

wobei das höchste „m“ 1555 ist.

Die Leitfähigkeit des Verbundwerkstoffs kann durch Umkehrung von „ρl“ wie folgt ermittelt werden:

die für die Graphensysteme weiterentwickelt werden können.

Die Querschnittszone von Graphen kann wie folgt ermittelt werden:

Außerdem wird „l“ durch „D“ ersetzt und σf = 1/ρf. Darüber hinaus wird für die zufällige 3D-Ausbreitung von Nanopartikeln in den Proben56 davon ausgegangen, dass:

Also, Gl. (20) kann für Graphensysteme durch die operative Füllstoffmenge (Gleichung 5) ausgedrückt werden als:

Darüber hinaus beeinflusst die Tunnellänge hauptsächlich die Leitfähigkeit, da sie den Elektronentransfer an Tunneln steuert (Abb. 1). Die Tunnellänge (λ) korreliert mit \(\varphi_{f}^{ - 1/3}\)53, 57. Da Gl. (20) legt einen linearen Zusammenhang zwischen Leitfähigkeit und „\(\varphi_{f}^{{}}\)“ nahe, die Leitfähigkeit verbindet sich mit „λ−3“.

Basierend auf diesen Bemerkungen kann die letztere Gleichung die Tunnellänge wie folgt betrachten:

Dabei ist „z“ die Länge der Tunneleigenschaften, die für mit Graphen gefüllte Proben mit 0,1 nm angenommen wird. Diese Gleichung stellt ein Modell für die Leitfähigkeit von Produkten anhand der Graphenabmessungen, der Graphenleitung, der Anzahl der Kontakte, der Graphenmenge in den Netzen, des Tunneldurchmessers, der Grenzflächentiefe und der Tunnellänge dar.

Nun, Gl. (17) und (24) können kombiniert werden, um eine Gleichung für den Tunnelwiderstand (ρ) auszudrücken.

Die Gleichungen (17) und (24) sind wie folgt gekoppelt:

was den Tunnelwiderstand ausdrückt als:

Gemäß dieser Gleichung hängt der Tunnelwiderstand in Polymer-Graphen-Systemen mit den Eigenschaften von Graphen und Tunneln zusammen. Diese Gleichung zeigt deutlich die Bedeutung jedes Parameters für den Tunnelwiderstand.

Die Vorhersagbarkeit beider Modelle wird durch die experimentellen Ebenen von Beispielen aus früheren Artikeln bestätigt. Außerdem wird der Tunnelwiderstand für die Proben berechnet und verglichen. Vier Graphen-Beispiele, darunter Polyimid (PI) (\(\varphi_{p}^{{}}\) = 0,0015, D ≈ 5 μm, t = 3 nm)58, Polystyrol (PS) (\(\varphi_{p} ^{{}}\) = 0,001, D ≈ 2 μm, t = 1 nm)59 (Nr. 1), Poly(ethylenterephthalat) (PET) (\(\varphi_{p}^{{}}\) = 0,005, D ≈ 2 μm, t = 2 nm)60 und PS (\(\varphi_{p}^{{}}\) = 0,0005, D ≈ 4 μm, t = 1 nm)61 (Nr. 2) wurden aus früheren Untersuchungen ausgewählt. Die Werte von (ti, λ) können analysiert werden, indem der Perkolationsbeginn an Gleichung angepasst wird. (3). Unter Verwendung dieser Gleichung werden (ti, λ)-Niveaus von (7, 9), (10, 9), (3, 4) und (7, 10) nm für PI, PS (Nr. 1), PET und PS erhalten (Nr. 2) Nanokomposite entsprechend. Diese Berechnungen offenbaren die Grundlage unterschiedlicher Grenzflächen und Tunnel in den Nanokompositen. Die dichteste Interphase und die größten Tunnel werden in PS/Graphen-Proben (Nr. 1) und PS/Graphen-Proben (Nr. 2) gezeigt, während die geringsten Interphasentiefen und Tunnellängen in PET/Graphen-Proben beobachtet werden. Es ist offensichtlich, dass eine tiefe Interphase und ein großer Tunnel den Beginn der Perkolation verringern. Daher ist die Annahme der Interphasentiefe und der Tunnellänge beim Beginn der Perkolation notwendig, da diese Parameter den Beginn der Perkolation in Nanokompositen weitgehend beeinflussen. Mithilfe dieser Berechnungen ist es möglich, die Leitfähigkeit der entwickelten Modelle zu berechnen. Graphen-Leitfähigkeit und cos2 (θ) werden als 105 S/m und 1/3 angegeben, in dieser Reihenfolge.

Abbildung 2 zeigt die experimentellen und theoretischen Leitfähigkeitsränge für die Beispiele. Wie beobachtet, zeigen die Berechnungen eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten der Beispiele. Dadurch visualisieren beide Modelle die Leitfähigkeit der Proben geeignet, was ihre Vorhersagbarkeit für alle Polymer-Graphen-Nanokomposite bestätigt. Die Werte von (m, d) (d in nm) nach Gl. (24) werden als (5, 10), (3, 10), (4, 5) und (120, 400) für PI-, PS- (Nr. 1), PET- und PS-Nanokomposite (Nr. 2) erhalten dieser Befehl. Diese Ergebnisse zeigen die unterschiedlichen Bereiche der Kontaktzahl und des Tunneldurchmessers in den Nanokompositen. Die wünschenswertesten Werte dieser Parameter werden für die PS/Graphen-Probe (Nr. 2) erhalten. Gemäß den experimentellen Ergebnissen in Abb. 2 weist diese Probe die höchste Leitfähigkeit auf. Daraus lässt sich schließen, dass die Anzahl der Kontakte und der Tunneldurchmesser hauptsächlich einen Einfluss auf die Leitfähigkeit haben. Auch Gl. (17) berechnet den Tunnelwiderstand (ρ) mit 6,04, 7,8, 0,67 und 21,4 Ω.m für die Beispiele PI, PS (Nr. 1), PET und PS (Nr. 2). Die höchsten und niedrigsten Werte des Tunnelwiderstands werden in PS/Graphen-Nanokompositen (Nr. 1) bzw. PET/Graphen-Nanokompositen gezeigt. Die gleichen Werte des Tunnelwiderstands werden auch für die gemeldeten Proben unter Verwendung der vorgeschlagenen Gleichung (Gleichung 26) erhalten. Tatsächlich sind beide Gleichungen. (17) und (26) stellen die gleichen Werte für den Tunnelwiderstand dar, basierend auf den experimentellen Ergebnissen der Leitfähigkeit und des Beginns der Perkolation. Diese Ergebnisse unterstützen die neue Gleichung für den Tunnelwiderstand in Nanokompositen. Mit anderen Worten: Gl. (26) kann verwendet werden, um den Tunnelwiderstand vorherzusagen.

Die experimentelle Leitfähigkeit und die Berechnungen nach Gl. (17) und (24) für (a) PI58, (b) PS59 (Nr. 1), (c) PET60 und (d) PS (Nr. 2)61 Graphenprodukte.

In diesem Abschnitt werden die Einflüsse aller Faktoren auf den Tunnelwiderstand mithilfe der neuartigen Gleichung (Gleichung 26) bewertet.

Abbildung 3 veranschaulicht die Rolle von „t“ und „σf“ beim Tunnelwiderstand bei λ = 5 nm, m = 10, d = 200 nm und z = 0,1 nm. Der niedrigste Tunnelwiderstand von 10 Ω.m wird bei σf > 1,65*105 S/m beobachtet, aber der Tunnelwiderstand steigt auf 45 Ω.m bei σf = 0,5*105 S/m. Infolgedessen beeinflusst die Graphenleitung den Tunnelwiderstand umgekehrt, während die Dicke der Graphen-Nanoblätter ihn nicht beeinflussen kann. Tatsächlich kann ein supraleitender Nanofüllstoff hauptsächlich den Tunnelwiderstand in Nanokompositen verringern, was die Leitfähigkeit fördert. Allerdings ist die Graphendicke ein unwirksamer Faktor, der den Tunnelwiderstand nicht verändern kann.

Die Eindrücke von „t“ und „σf“ auf den Tunnelwiderstand (Gleichung 26) durch (a) 3D- und (b) Konturentwürfe.

Die Graphen-Nanoblätter bedecken die Tunnel in den Nanokompositen. Zweifellos verringert das leitfähige Graphen den Tunnelwiderstand erheblich, da es die Übertragung von Elektronen durch Tunnel erleichtern kann. Andererseits kann schlecht leitendes Graphen den Tunnelwiderstand nicht verringern, da es den Widerstand von Tunneln, die isolierte Polymerfilme und Graphen-Nanoblätter enthalten, nicht beeinflussen kann. Daher ist es sinnvoll, einen umgekehrten Zusammenhang zwischen Tunnelwiderstand und Graphenleitung zu beobachten. Darüber hinaus kann die Dicke des Graphens den Tunnelwiderstand nicht steuern, da seine Rolle in den Tunneln vernachlässigbar ist. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Größe von Graphen-Nanoblättern keinen Einfluss auf den Tunnelwiderstand hat, aber die Leitung von Graphen verringert ihn positiv.

Abbildung 4 zeigt auch die Abhängigkeit des Tunnelwiderstands von „d“ und „θ“ bei t = 2 nm, λ = 5 nm, σf = 105 S/m, m = 10 und z = 0,1 nm. Der kleinste Tunnelwiderstandswert von etwa 0 wird bei θ < 60° erreicht, während der höchste Tunnelwiderstand bei den höchsten Bereichen von „d“ und „θ“ berechnet wird. Die Berechnungen zeigen, dass der maximale Tunnelwiderstand von 350 Ω.m bei d = 300 nm und θ = 80° ermittelt wird. Folglich verändern der Durchmesser der Kontaktfläche zwischen benachbarten Nanoblättern und der Füllwinkel direkt den Tunnelwiderstand. Tatsächlich ist es wichtig, den Tunneldurchmesser und den Füllwinkel zu verringern, um einen schlechten Tunnelwiderstand zu erzielen.

Ausdruck des Tunnelwiderstands (Gleichung 26) durch „d“ und „θ“: (a) 3D- und (b) Konturschemata.

Der Tunneldurchmesser zwischen Nanoblättern bestimmt die Ausdehnung der Tunnel, da zwei benachbarte Nanoblätter den Tunnelraum bilden. Mit anderen Worten: Ein großer Tunneldurchmesser verursacht einen großen Tunnel in den Nanokompositen, wohingegen ein kleinerer „d“ eine kleine Tunnelzone bildet. Da die Tunnel hauptsächlich die isolierte Polymermatrix enthalten, erzeugt ein großer Tunnel einen hohen Tunnelwiderstand. Andererseits führt der geringere Wert des Tunneldurchmessers zwischen benachbarten Nanoblättern zu einem kleinen Tunnel. In diesem Zustand nimmt aufgrund der kleinen Tunnel hauptsächlich der Tunnelwiderstand ab. Darüber hinaus können die zur Stromrichtung ausgerichteten Nanoblätter die Ladungen einfach und effektiv übertragen und die Leitfähigkeit verbessern, während ein großer Winkel zwischen den Nanoblättern und dem Elektronenstrom die Tunnelleitfähigkeit begrenzt. Dementsprechend erhöht ein niedriges „θ“ den Elektronentransport erheblich und verringert den spezifischen Tunnelwiderstand. Ein hoher „θ“ führt jedoch zu einer falschen Implementierung von Nanoblättern im Nanokomposit, was den Tunnelwiderstand erhöht. Daher beeinflussen sowohl der Tunneldurchmesser als auch der Orientierungswinkel logischerweise den Tunnelwiderstand in Nanokompositen.

Die Reize von „m“ und „λ“ auf den Tunnelwiderstand sind in Abb. 5 zu sehen. Der höchste Tunnelwiderstand von 220 Ω.m wird bei m = 2 und λ = 10 nm erhalten, der Tunnelwiderstand sinkt jedoch weitgehend auf 0 bei λ < 3 nm oder m > 15 und λ < 5 nm. Dementsprechend führen zahlreiche Kontakte zwischen Schichten und eine geringe Tunnellänge zu einem verringerten Tunnelwiderstand. Im Gegensatz dazu erhöhen eine geringere Anzahl an Kontakten und ein langer Tunnel den Tunnelwiderstand negativ.

(a) 3D- und (b) Konturentwürfe für die Variation des Tunnelwiderstands (Gl. 26) bei veränderten Reihen von „m“ und „λ“.

Eine hohe Anzahl von Kontakten verringert den Tunnelwiderstand, die begrenzten Bereiche der Kontaktanzahl erhöhen ihn jedoch. Tatsächlich erzeugen die großen Verbindungen zwischen leitfähigen Graphen-Nanoblättern die leitfähigen Tunnelzonen in Nanokompositen, die den Tunnelwiderstand schwächen. Das geringe Ausmaß der Kontakte zeigt jedoch das Vorhandensein einer isolierten Polymermatrix zwischen den Nanoblättern, die den Tunnelwiderstand erheblich erhöht. Infolgedessen sagt die vorgeschlagene Gleichung (Gleichung 26) die Korrelation zwischen Tunnelwiderstand und Kontaktzahl richtig voraus. Darüber hinaus zeigt eine große Tunnellänge zwischen Nanoblättern das Vorhandensein einer dicken Polymerschicht in den Tunneln. Da die isolierte Polymermatrix den Elektronentransport in den Tunneln schwächt, ist es aufgrund der großen Menge an isoliertem Material sinnvoll, in diesem Zustand einen hohen Tunnelwiderstand zu erzielen. Dennoch zeigt eine kleine Tunnellänge einen dünnen Polymerfilm zwischen benachbarten Nanoblättern, was zu einem schlechten Tunnelwiderstand führt. In den früheren Artikeln wurde berichtet, dass der große Tunnel die Tunnelleitfähigkeit aufgrund der eingeschränkten Elektronenverschiebung über Tunnel oder des hohen Tunnelwiderstands verringert2, 62. Aus diesen Gründen gibt die vorgeschlagene Gleichung angemessen die Rolle der Tunnellänge beim Tunnelwiderstand an.

Der Tunnelwiderstand in Polymer-Graphen-Nanokompositen wurde als Funktion der Eigenschaften von Graphen und Tunneln definiert. Diese Gleichung wurde durch Erweiterung der Graphen-Nanoblätter und Aktualisierung eines herkömmlichen Modells extrahiert. Die Schätzungen dieser Modelle zeigen feine Übereinstimmungen mit den experimentellen Daten. Auch der Tunnelwiderstand der gemeldeten Proben, der mit dem entwickelten Modell und der vorgeschlagenen Gleichung berechnet wurde, liefert ähnliche Werte, die die dargestellten Gleichungen bestätigen. σf > 1,65*105 S/m erzeugt einen Tunnelwiderstand von 10 Ω.m, aber der Tunnelwiderstand wächst auf 45 Ω.m bei σf = 0,5*105 S/m. Folglich wirkt sich die Graphenleitung umgekehrt auf den Tunnelwiderstand aus, die Dicke der Graphen-Nanoblätter kann ihn jedoch nicht beeinflussen. Der kleinste Tunnelwiderstandswert von etwa 0 wird auch bei θ < 60° erreicht, während der höchste Tunnelwiderstand durch die höchsten Bereiche von „d“ und „θ“ berechnet wird. Infolgedessen beeinflussen der Durchmesser der Kontaktfläche zwischen Nanoblättern und der Füllwinkel direkt den Tunnelwiderstand. Darüber hinaus wird der höchste Tunnelwiderstand von 220 Ω.m bei m = 2 und λ = 10 nm erreicht, allerdings sinkt der Tunnelwiderstand meist auf etwa 0 bei λ < 3 nm oder m > 15 und λ < 5 nm. Daher führen zahlreiche Kontakte zwischen Nanoblättern und eine geringe Tunnellänge zu einem niedrigen Tunnelwiderstand in Nanokompositen.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Dong-Hyun Nam & Young-Wook Chang

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YZ und NG haben das Hauptmanuskript geschrieben. DH.N. und YW.C überarbeitete das Papier.

Korrespondenz mit Yasser Zare oder Young-Wook Chang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zare, Y., Gharib, N., Nam, DH. et al. Vorhersage des Tunnelwiderstands zwischen benachbarten Nanoblättern in Graphen-Polymer-Systemen. Sci Rep 13, 12455 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39414-w

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Eingegangen: 06. Mai 2023

Angenommen: 25. Juli 2023

Veröffentlicht: 01. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39414-w

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