上海微系統(tǒng)所石墨烯導(dǎo)熱膜尺寸效應(yīng)研究獲進(jìn)展
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】石墨烯是由碳原子形成的單層二維晶體結(jié)構(gòu)，具有高導(dǎo)熱性、高電導(dǎo)性、低密度和優(yōu)異的機(jī)械性能。石墨烯導(dǎo)熱膜主要利用石墨烯的高導(dǎo)熱性能，將熱量快速、均勻地傳遞出去，從而達(dá)到散熱的效果。其理論熱導(dǎo)率高達(dá)5300W/(m·K)，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)導(dǎo)熱材料如銅等，因此在高效熱管理方面具有顯著優(yōu)勢。在電子器件散熱、光電器件、納米電子學(xué)、柔性電子等多個(gè)領(lǐng)域，石墨烯導(dǎo)熱膜展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力和市場價(jià)值。
近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所納米材料與器件實(shí)驗(yàn)室丁古巧團(tuán)隊(duì)在石墨烯導(dǎo)熱膜尺寸效應(yīng)研究方面取得進(jìn)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(dǎo)熱膜熱導(dǎo)率之間的聯(lián)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(rèn)知，為組裝石墨烯等二維材料構(gòu)建高性能宏觀體提供了新思路。
研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯膜的熱導(dǎo)率與組裝石墨烯膜原料的橫向尺寸相關(guān)，一般大尺寸原料利于提升其導(dǎo)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(yùn)。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(dǎo)熱膜，是制備高性能石墨烯導(dǎo)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(shù)挑戰(zhàn)，并存在制備過程繁瑣、低產(chǎn)率和高成本等問題。同時(shí)，在組裝過程中，大尺寸氧化石墨烯對高溫過程產(chǎn)生氣體的逸出存在更顯著的抑制作用，導(dǎo)致導(dǎo)熱膜引入的皺紋和微孔等結(jié)構(gòu)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(yōu)勢。
研究團(tuán)隊(duì)以超小尺寸氧化石墨烯為原料，在~ 110 μm膜厚時(shí)實(shí)現(xiàn)了1550.06 ± 12.99 W/mK的橫向熱導(dǎo)率，超過此前文獻(xiàn)報(bào)道的水平。該水平與使用大尺寸氧化石墨烯制備的導(dǎo)熱膜相近，且縱向熱導(dǎo)率更高。在實(shí)際應(yīng)用場景中，相較于裸芯片，芯片表面溫度在裝載石墨烯導(dǎo)熱膜后有所降低，最大降溫幅度達(dá)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(dǎo)熱膜可以較好地滿足電子器件實(shí)際熱管理需求。這為制備高性能石墨烯導(dǎo)熱膜提供了新思路，并為提升石墨烯導(dǎo)熱膜縱向?qū)嵝阅芴峁┝诵戮€索。
相關(guān)研究成果以Anomalous size effects of ultra-small graphene sheets on the thermal properties of macroscopic films為題發(fā)表在《化學(xué)工程雜志》(Chemical Engineering Journal)上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金等的支持。
參考來源： 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
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