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引言

随着现代高精度传感器、航空航天、交通运输以及先进电子和通信设备技术的快速发展，对铜基石墨烯（Cu-Gr）复合材料电极的导电性能和稳定性提出了更高要求。为满足这些需求，迫切需要开发新材料以进一步提升复合材料的导电性和稳定性。文章基于天津工业大学纪越团队研究成果及国家自然科学基金面上项目资助。

Cu-Gr复合材料现状：尽管通过化学气相沉积法（CVD）在Cu基底上生长的石墨烯保持了良好的结构完整性，但Gr与Cu之间的界面结合力较弱，导致电子散射较强，不利于电极的高导电性能。同时，弱的界面结合削弱了载荷传递的强化效果，降低了材料的综合性能。

镓基液态金属的应用：镓基液态金属因其低毒性、高表面张力、高导电性和高导热性，在电子皮肤、可控电子开关、软机器人、高精度传感器和能源设备等领域具有重要价值。然而，液态金属与铜石墨烯电极之间的固液接触电阻成为影响传感器性能的关键因素。

AuNPs的潜在价值：金纳米颗粒（AuNPs）在催化、传感、光学等领域展现出巨大潜力。基于石墨烯和纳米颗粒的复合材料因其独特的光学和电学特性，在信息传感、光电转换、医学诊断等多个领域有广泛应用前景。特别是，AuNPs装饰石墨烯材料可提高传感器的检测精度、灵敏度和选择性。

（1）材料制备创新

采用两步法制备了AuNPs掺杂的Cu-Gr三维导电复合材料电极，直接在铜基石墨烯上进行改性，避免了因转移石墨烯而产生的更多缺陷，提高了复合材料的导电性能。

（2）微观机理研究

通过第一性原理计算，深入探讨了AuNPs掺杂对Cu-Gr复合材料电极及Cu-Gr与镓金属界面接触特性的微观影响机制。研究发现，AuNPs的掺杂优化了C的电子活性，加速了界面之间的电子传输，提高了复合材料的稳定性和导电性。

（3）界面结合增强

Au的d轨道与C的p轨道、Ga的p轨道形成p-d-p杂化，增强了界面之间的键合，提高了界面之间的载荷传递效率，为优化传感器接触界面提供了理论指导。

图2 Cu-Gr和Cu-Gr@Au复合材料电极的XRD图谱

Fig.2 XRD patterns of Cu-Gr and Cu-Gr@Au composite electrodes

图3 铜基复合材料电极的SEM图：(a) Cu-Gr；(b）和(c) Cu-Gr@Au

Fig. 3 SEM images of copper matrix composite electrodes: (a) Cu-Gr; (b), (c) Cu-Gr@Au

图4 Cu-Gr和Cu-Gr@Au复合材料电极的拉曼光谱

Fig.4 Raman spectra of Cu-Gr and Cu-Gr@Au composite electrodes

图5 Cu-Gr@Au的复合材料电极的XPS图谱：(a)XPS全谱；(b)C1s；(c) Au 4f，（黑色圆球：原始数据）

Fig.5 XPS patterns of composite electrodes of Cu-Gr@Au: (a) full XPS full spectrum; (b) C1s; (c) Au 4f (black spheres: raw data)

图7 不同界面模型的DOS图：(a)Cu-Gr；(b)Cu-Gr@Au；(c)Cu-Gr-Ga；(d)Cu-Gr@Au-Ga(费米能级设置为0)

Fig.7 DOS plots of different interface models:(a)Cu-Gr;(b) Cu-Gr@Au;(c)Cu-Gr-Ga; (d)Cu-Gr@Au-Ga (Fermi energy level set to 0)

图8 Cu-Gr@Au和Cu-Gr@Au-Ga界面模型的PDOS图(费米能级设置为0)

Fig.8 PDOS plots of Cu-Gr@Au and Cu-Gr@Au-Ga interface models (Fermi level is set to zero)

图9 铜基复合材料电极的p，d带中心(费米能级设置为0)

Fig. 9 Centre of p, d band of copper matrix composite electrodes (Fermi level is set to zero)

（1）导电性能提升：实验证实，AuNPs掺杂后Cu-Gr复合材料电极的电阻值降低了15.0%，显著提高了导电性能。

（2）界面结合增强：第一性原理计算表明，Au元素的加入使Cu与Gr界面之间的结合能显著增加，改善了界面结合能力，增强了Cu-Gr界面之间的键合，对改善复合材料器件接触性能具有重要意义。

（3）固液界面电子传输：搭建的Cu-Gr@Au和Cu-Gr@Au-Ga界面模型显示，Au的掺杂促进了固液界面之间的电子传输，形成了p-d-p三轨道杂化，增强了界面相互作用，推动了固液接触界面电子传输的理论研究。

文章发表于《功能材料》2025年第56卷第7期，欢迎引用本文：    

纪越,梁亚松,张志佳.AuNPs掺杂铜基石墨烯电极的制备及其与镓金属界面性质的研究[J].功能材料,2025,56(7):07022-07028.

Ji Y,Liang Y S,Zhang Z J.Preparation of Au-doped copper-based graphene electrodes and study of their interfacial properties with gallium metal[J].Journal of Functional Materials,2025,56(7):07022-07028.