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上海微系統所石墨烯導熱膜尺寸效應研究獲進展
2024年07月02日 09:21:56
來源：化工儀器網 點擊量：8898
該工作通過建立亞微米-微米氧化石墨烯原料橫向尺寸與導熱膜熱導率之間的聯系，深化了對于3000 ℃高溫下氧化石墨烯組裝體還原重組過程的認知，為組裝石墨烯等二維材料構建高性能宏觀體提供了新思路。
【化工儀器網 項目成果】石墨烯是由碳原子形成的單層二維晶體結構，具有高導熱性、高電導性、低密度和優異的機械性能。石墨烯導熱膜主要利用石墨烯的高導熱性能，將熱量快速、均勻地傳遞出去，從而達到散熱的效果。其理論熱導率高達5300W/(m·K)，遠高于傳統導熱材料如銅等，因此在高效熱管理方面具有顯著優勢。在電子器件散熱、光電器件、納米電子學、柔性電子等多個領域，石墨烯導熱膜展現出了巨大的應用潛力和市場價值。
近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所納米材料與器件實驗室丁古巧團隊在石墨烯導熱膜尺寸效應研究方面取得進展。該工作通過建立亞微米-微米氧化石墨烯原料橫向尺寸與導熱膜熱導率之間的聯系，深化了對于3000 ℃高溫下氧化石墨烯組裝體還原重組過程的認知，為組裝石墨烯等二維材料構建高性能宏觀體提供了新思路。
研究發現，石墨烯膜的熱導率與組裝石墨烯膜原料的橫向尺寸相關，一般大尺寸原料利于提升其導熱性能。這是由于原料片層的橫向尺寸越大，石墨烯膜中片層間的界面越少，越利于熱輸運。因此，選擇大尺寸的氧化石墨烯原料，通過涂布、干燥、石墨化和壓延等工藝來制備石墨烯導熱膜，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面臨技術挑戰，并存在制備過程繁瑣、低產率和高成本等問題。同時，在組裝過程中，大尺寸氧化石墨烯對高溫過程產生氣體的逸出存在更顯著的抑制作用，導致導熱膜引入的皺紋和微孔等結構缺陷更多。這限制了大尺寸原料在制備高性能石墨烯方面的優勢。
研究團隊以超小尺寸氧化石墨烯為原料，在~ 110 μm膜厚時實現了1550.06 ± 12.99 W/mK的橫向熱導率，超過此前文獻報道的水平。該水平與使用大尺寸氧化石墨烯制備的導熱膜相近，且縱向熱導率更高。在實際應用場景中，相較于裸芯片，芯片表面溫度在裝載石墨烯導熱膜后有所降低，最大降溫幅度達到21.2 ℃，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足電子器件實際熱管理需求。這為制備高性能石墨烯導熱膜提供了新思路，并為提升石墨烯導熱膜縱向導熱性能提供了新線索。
相關研究成果以Anomalous size effects of ultra-small graphene sheets on the thermal properties of macroscopic films為題發表在《化學工程雜志》(Chemical Engineering Journal)上。研究工作得到國家自然科學基金等的支持。
參考來源： 上海微系統與信息技術研究所
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