具有优异散热性能的碳纳米环/石墨烯三维混杂薄膜

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        近年来,随着微电子技术的不断进步,计算机、手持终端设备(手机、平板电脑等)、LED等设备中的芯片集成度、封装密度和工作频率都迅速提高,功率与体积的比值日益增大,带来芯片中热流密度的迅速增加。芯片温度过高将严重影响其工作效率、系统稳定性和元器件寿命,因此对新型高效散热技术或散热材料提出了迫切需求。石墨烯具有极其优异的导热能力,室温下石墨烯片层面内热导率可高达约5300 W/mK。石墨烯薄膜由石墨烯片层堆叠组装而成,同样具有十分优异的面内导热能力,室温下热导率可高达约1000 W/mK,远优于传统的铜、铝等金属导热材料。然而,石墨烯薄膜在厚度方向仅依靠石墨烯片层之间较弱的范德华力相互作用,热导率很低,限制了石墨烯薄膜在高效二维散热材料领域的应用。

        针对这一问题,国防科学技术大学江大志教授研究团队提出了一种由碳纳米环,即超短碳纳米管,在厚度方向桥联石墨烯片层而形成的碳纳米环/石墨烯三维混杂薄膜材料,显著提升了石墨烯薄膜在厚度方向的导热能力,开辟了新型高效二维散热材料领域研究的新思路。该团队首先在传统石墨烯薄膜方法中引入聚合物碳源聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和金属催化剂前驱物Ni(COOH)2,使其插入到石墨烯薄膜的片层之间,形成混杂薄膜;然后对混杂薄膜进行高温处理,通过高温下裂解产生的金属Ni的催化作用,聚合物碳源裂解产生的碳在石墨烯层间生长出管状纳米碳结构,并且由于石墨烯片层的限域作用,纳米碳管结构长度极短,称作碳纳米环,与石墨烯片层共同构成了碳纳米环/石墨烯三维混杂薄膜。由于碳纳米环在石墨烯片层之间的界面桥联作用,该混杂薄膜厚度方向的热导率相较于普通的石墨烯薄膜提升了约3倍,达到约5.81 W/mK,而面内热导率几乎不变。该碳纳米环/石墨烯三维混杂薄膜不仅在新型高效二维散热材料领域具有应用前景,其所具有的独特的全碳三维纳米结构还有望在电极材料、超级电容器等领域发挥作用。相关论文在线发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201501878)。