上海微系統所在石墨烯導熱膜尺寸效應研究方面取得進(jìn)展
石墨烯導熱膜是電子器件和系統重要的熱管理材料。近日，中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所納米材料與器件實(shí)驗室丁古巧團隊在石墨烯導熱膜尺寸效應研究方面取得重要進(jìn)展。通過(guò)建立亞微米-微米氧化石墨烯原料橫向尺寸與導熱膜熱導率之間的聯(lián)系，該工作深化了3000 ℃ 高溫下氧化石墨烯組裝體還原重組過(guò)程的理解，為組裝石墨烯等二維材料構建高性能宏觀(guān)體提供了新思路。
大量研究表明，石墨烯膜的熱導率與組裝石墨烯膜原料的橫向尺寸密切相關(guān)，一般大尺寸原料有利于提升其導熱性能。這是因為，原料片層的橫向尺寸越大，石墨烯膜中片層間的界面越少，越有利于熱輸運。因此，選擇大尺寸的氧化石墨烯（GO）原料，通過(guò)涂布、干燥、石墨化和壓延等工藝來(lái)制備石墨烯導熱膜，是制備高性能石墨烯導熱膜的重要策略。然而，大尺寸氧化石墨烯的批量化制備本身面臨著(zhù)諸多技術(shù)挑戰，還存在制備過(guò)程繁瑣、低產(chǎn)率和高成本等問(wèn)題。而且，組裝過(guò)程中，大尺寸氧化石墨烯對高溫過(guò)程產(chǎn)生氣體的逸出存在更顯著(zhù)的抑制作用，導致導熱膜中引入的皺紋和微孔等結構缺陷更多。這些問(wèn)題限制了大尺寸原料在制備高性能石墨烯方面的優(yōu)勢。
針對這一問(wèn)題，該工作系統研究了氧化石墨烯尺寸變化對石墨烯導熱膜性能的影響，即尺寸效應。首先，為了消除原料片層厚度等其他參數的影響，從同一氧化石墨原料出發(fā)，采用機械剪切方式制備了平均橫向尺寸覆蓋亞微米至微米尺度（0.32-20.32 μm）的11組氧化石墨烯。基于此，利用完全一致的刮刀涂布、干燥、石墨化、壓延等工藝組裝制備石墨烯導熱膜。按照原料橫向尺寸，這些石墨烯導熱膜可分為大尺寸氧化石墨烯制備的導熱膜（LGF，>10 μm）、常規尺寸氧化石墨烯制備的導熱膜（CGF，1-10 μm）、超小尺寸氧化石墨烯制備的導熱膜（USGF，<1 μm）三組。令人驚訝的是，在亞微米尺寸范圍內，石墨烯導熱膜的橫向熱導率與氧化石墨烯原料橫向尺寸呈現負相關(guān)關(guān)系，即負尺寸效應，這與微米范圍內的規律完全相反。進(jìn)一步的結構分析表明，超小尺寸氧化石墨烯在高溫石墨化過(guò)程更有利于氣體的排出而避免缺陷產(chǎn)生，而且小晶粒在高溫石墨化過(guò)程中易于融合和長(cháng)大（圖1）。這一新的發(fā)現表明，選擇亞微米超小尺寸氧化石墨烯，是制備高性能石墨烯導熱膜的重要策略。而且，相對于大尺寸氧化石墨烯原料，亞微米超小尺寸氧化石墨烯的更易獲得，規模化制備難度和成本更低。
圖1. 原料尺寸對石墨烯導熱膜熱導率的影響機制
基于這一發(fā)現，該團隊以超小尺寸氧化石墨烯（~ 0.32 μm）為原料，在~ 110 μm膜厚時(shí)實(shí)現了1550.06 ± 12.99 W/mK的橫向熱導率，超過(guò)此前文獻報道水平（圖2）。更重要的是，該水平與使用大尺寸氧化石墨烯制備的導熱膜相近，且縱向熱導率（8.11 ± 0.08 W/mK）更高。在實(shí)際應用場(chǎng)景中，芯片表面溫度在裝載石墨烯導熱膜后相較于裸芯片出現了明顯的降低，最大降溫幅度達到了21.2 ℃，而且芯片表面溫度分布更加均勻。因此，超小尺寸氧化石墨烯制備的高性能導熱膜可以較好地滿(mǎn)足電子器件實(shí)際熱管理需求。這一成果為制備高性能石墨烯導熱膜提供了新思路，也為石墨烯導熱膜縱向導熱性能提升提供了新線(xiàn)索。
圖2. 石墨烯導熱膜的傳熱性能。橫向(a)和縱向(b)熱導率(K)和熱擴散系數(α)；(c) 本工作原料平均橫向尺寸、石墨烯膜厚度和K與文獻的比較；(d) 文獻報道與本工作K//和K⊥的比較；(e) 熱測試平臺示意圖；(f, g) 裸露芯片與三個(gè)典型樣品通電60s后的溫度對比。
相關(guān)論文以“Anomalous size effects of ultra-small graphene sheets on the thermal properties of macroscopic films”為題發(fā)表于Chemical Engineering Journal（https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.152803）。 論文第一作者為上海微系統所博士生楊舒景，通訊作者為何朋副研究員、丁古巧研究員。相關(guān)工作得到國家自然科學(xué)基金（51802337, 11774368）等資金支持。
