引言 

        随着集成电路和电子器件功率和封装密度的不断增加，如何通过高性能热界面材料将多余的热量从“热点”快速传输到热沉已经成为维持电子系统性能和可靠性的关键。近年来，由于石墨烯超高的本征热导率，石墨烯基热界面材料广为人们所关注。但是，石墨烯在剥离制备的过程中产生的大量缺陷、石墨烯在高分子基体中的不良排列、以及石墨烯片层之间或石墨烯与基体之间存在的强烈的声子散射等问题都极大的限制了石墨烯基热界面材料热导率的提高。尽管研究者们做了大量的工作，但是，目前仍然缺乏可以同时克服上述所有技术难题的方法，即同时实现高质量石墨烯纳米片在高分子基体中的共价键接和高顺向垂直排列。

成果简介

        近日，中科院宁波材料所林正得研究员、南方科技大学邬苏东副教授、湖南大学陈鼎教授（共同通讯作者）等人利用具有自主知识产权的中压等离子体化学气相沉积（CVD）系统，快速生长出厚度可达120 µm的垂直排列、共价键接的石墨烯纳米墙（GNWs），并通过旋涂的方法将之与PDMS复合，制备出柔性自黏的石墨烯基热界面材料。

        GNWs有效的实现了高质量石墨烯、垂直排列和共价键接三要素的有机结合，从而表现出极强的导热增强能力：当石墨烯的含量仅为 5.6 wt%时，热界面材料的纵向热导率可达20.4 W m^-1K^-1，每1 wt%含量石墨烯对基体热导率的提升幅度可以达到2006%。超低的石墨烯添加量不会破坏PDMS良好的可压缩性能和自黏性能，从而利于实际使用过程中热界面材料的安装和传热。

        热界面性能测试表明，基于GNWs的石墨烯基热界面材料（GNW-TIM）的冷却效率约为市面上主流导热垫片的1.5倍。出色的热界面性能使得其可以应用于多种场景，典型地，当GNW-TIM用于高功率LED芯片的散热时，可以大大降低其工作时的饱和温度，从而有效的抑制了因热量积聚带来的发光特性恶化问题。

        上述成果以题为“Soft and Self-Adhesive Thermal Interface Materials Based onVertically Aligned, Covalently Bonded Graphene Nanowalls for EfficientMicroelectronic Cooling”发表在了Advanced Functional Materials上。中科院宁波材料技术与工程研究所是论文的第一单位。 

图文导读

图1 GNWs的制备及表征

（a）具有自主知识产权的中压等离子体CVD系统照片。（b）GNWs的生长机理。（c）制备出的GNWs照片。GNWs的（d）（e）横截面和（f）表面SEM图像，以及相应的（g）（h）TEM图像。（i）GNWs的XRT图像。GNWs的（j）XRD和（k）拉曼光谱图。

2 GNW/PDMS复合材料的制备及其导热性能

（a）GNW/PDMS复合材料的制备过程示意图。（b）PDMS渗入前后材料表面形貌的对比。（c）复合材料易于裁切和折叠的特性。（d）复合材料的自黏特性。（e）复合材料横/纵向的热扩散系数/热导率。复合材料和金属钛随着加热时间变化的（f）表面红外热像图对比，以及相应的（g）温度曲线。（h）热重曲线。

图3 导热增强机理

（a）我们的样品与文献中报道的石墨烯基复合材料的比TCE值比较。（b）范德华接触和共价键接情况下相邻石墨烯纳米片之间的界面热阻值对比。（c）基于有限元分析的不同石墨烯结构传热能力对比。

图4 GNW-TIM的热界面性能

（a）热界面性能测试系统示意图。（b）加热片随着加热时间（加热功率为30 W）变化的表面温度曲线。（c）使用不同热界面材料时不同加热功率下加热片表面温度对比。（d）热冲击实验。（e）加热片表面温度与GNW-TIM有效热导率的关系。（f）基于ANSYS Icepak的热界面性能仿真结果。

图5 GNW-TIM的实际散热性能

（a）商用LED芯片照片。（b）LED芯片散热测试系统示意图。（c）使用不同热界面材料时LED芯片随着运行时间变化的表面温度对比，以及相应的（d）红外热像图。

图6 GNW-TIM对LED发光特性的影响

（a）基于积分球的LED发光特性测试系统。（b）使用不同热界面材料时LED芯片的最终稳定温度。使用不同热界面材料时LED芯片的（c）光通量，（d）发光效率，（e）转换效率，以及（f）显色指数对比。 

小结

        本研究通过具有自主知识产权的中压等离子体 CVD 系统快速生长制备了（生长速度比传统等离子增强CVD方法快两个数量级）具有垂直排列和共价键接特点的高质量GNWs薄层，其厚度可达120 µm。填充 PDMS 后，复合材料在石墨烯含量仅为 5.6 wt% 的情况下，纵向热导率可达到20.4 W m^-1K^-1，每1 wt%含量石墨烯对高分子基体热导率的提升幅度为2006%。

        热导率的大幅度提升主要归因于其高顺向的垂直排列结构和石墨烯之间的共价键接，非平衡分子动力学模拟表明，共价键接石墨烯片之间的界面热阻仅为范德华接触时的0.4%。热界面性能测试表明，GNW-TIM的冷却效率比目前市面上主流导热垫（≈ 5.0 W m^-1K^-1）高约1.5 倍，这不仅是因为GNW-TIM具有更高的纵向热导率，还因为GNW-TIM中石墨烯的含量很低，从而保证了热界面材料良好的可压缩性，以此降低热界面材料的接触热阻：相较于商用导热垫片，GNW-TIM的接触热阻仅为前者的37.4%。

        良好的散热性能使得GNW-TIM可以保证LED芯片在高功率运行时保持降低的饱和温度，从而抑制了热量积聚对其发光特性的危害。上述成果对石墨烯填料的结构优化、高性能石墨烯基热界面材料的开发及电子/光电设备的高效热管理等科学热点和难点有相当的指导意义。 

文献链接

Soft and Self-Adhesive Thermal Interface Materials Based onVertically Aligned, Covalently Bonded Graphene Nanowalls for EfficientMicroelectronic Cooling, Advanced Functional Materials, 2021,2104062. 

https://doi.org/10.1002/adfm.202104062

（海洋实验室）