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准确了解单个纤维及其网络的电导率对于调整聚丙烯腈(PAN)基碳纳米纤维(CNFs)的整体宏观性能至关重要。因此，利用导电原子力显微镜(C- afm)研究了CNF网络的微电性质和在600℃至1000℃温度下碳化的单个CNF的纳米电学性质。在微观尺度上，CNF网络表现出良好的电互连，使电流分布均匀。由四点法确定的宏观电导率与微观结果的强相关性强调了网络的同质性。微观和宏观的电学性能完全取决于碳化温度和所得到的纤维结构。引人注目的是，单个cnf的纳米级高分辨率电流图显示出很大的高阻表面比例，这代表了明显的限制。高阻表面域可以归因于表面无序的高阻碳结构，也可以归因于体积中缺乏电子渗透路径。随着炭化温度的升高，导电表面畴的尺寸增大，电导率提高。这项工作通过电学性质，特别是电子渗透路径来扩展CNFs的现有微观结构模型。

图文简介

(相关资料图)

在600◦C (a)， 800◦C (b)和1000◦C (C)的温度下碳化的CNF垫的SEM图像显示。CNFs大多是直的，没有首选的方向，并表现出相似的直径。直方图(d-f)显示了由直径j算法确定的各自的相对直径频率从另一个点分析每个样品的SEM图像，如图S1a-c所示，得到一个类似的直径分布(红色条)。虚线表示平均直径。

20 μm·20 μm地形图(a-e)显示CNF垫在600℃至1000℃的温度范围内碳化。所有样品都表现出纤维状形态，具有随机取向的CNFs。同时获得的接触电流图(f-j)表明，电流具有广泛的空间分布，并且沿所有cnf检测。在700◦C至1000◦C (g-j)之间碳化的CNFs在20mV的偏置电压下测量，而CNFs在600°C (f)下碳化，以100mV的偏置电压测量，以克服电流检测极限

显示了在600◦C至1000◦C范围内碳化的每个样品的光纤网络内的200 nm·200 nm高分辨率两个不同cnf的接触电流图。在20 mV的偏差电压下同时获取地形图，如图3e所示。随着炭化温度的升高，导电面积分数和最大观察电流显著增加

(偏置电压为20mV)和图S3e-f所示的600◦C碳化CNFs的接触电流图(偏置电压为100mV以克服检测极限)。电导是用接触电流除以偏置电压来计算的。如图S6所示，改变施加的偏置电压对平均电导没有显著影响。直方图绘制为每个样本的两个当前地图的平均值，单个CNFs的直方图如图S4.1-4.3所示。虚线表示每个样品的平均电导。此外，每个样品的平均电导率与四点法测定的宏观电导率相关(b)。微观数据与宏观数据具有很强的相关性，两者都依赖于碳化温度。请注意对数尺度以及电导率和电导的不同单位。

TEM显微图显示了在600℃(a)和1000℃(b)碳化的CNFs的断裂部分获得的结构。两者都表现出有序和无序的结构域，而有序度随着碳化温度的升高而增加。模型(C -e)显示了600◦C (C)， 800◦C (d)和1000◦C (e)碳化的CNFs近表面结构的示意图横截面。线表示高度有序，潜在导电的碳结构(黑色和黄色)和不太有序，高电阻的碳(灰色)。然而，电流只能在高度有序的结构中流动形成从表面到体(黄色)的电子渗透路径。随着炭化温度的升高，碳结构的有序度增加，导致导电表面和体结构的生长，从而改善了电子的渗透。

论文信息

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202300936

通讯作者：亚琛工业大学Florian Hausen

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