Small Structure:竖直石墨烯基热界面材料的制备及应用

随着电子器件朝小型化、多功能化、高功率密度等方向的发展,单位面积产生的热流密度迅速增加,严重缩短了电子器件的使用寿命,因此,探索高效的散热技术已逐渐成为促进电子元器件发展的关键。热界面材料(TIMs)是填充在粗糙不平整界面间起到传热作用的材料,对解决界面散热问题扮演着不可取代的角色。因此设计开发具有高导热的TIMs对电子器件的广泛使用至关重要。众所周知,石墨烯具有超高的面内热导率,人们进行了大量研究以制备高性能石墨烯散热材料。而性能优异的TIMs应具备较高的竖直热导率,因此需要将石墨烯组装成具有竖直结构的宏观材料,进而提升石墨烯基TIMs的散热性能。

图1 自上而下法和自下而上法制备竖直石墨烯基热界面材料的示意图

制备决定未来。如何将石墨烯在微观尺度上优异的热学性质延伸到宏观结构中,石墨烯材料的组装策略和制备方法显得尤为重要。北京大学张锦教授团队在该篇综述中重点关注了竖直石墨烯结构的制备方法,他们详细总结了以分子自组装、膜卷切、定向冷冻、定向水热还原、挤压法等为代表的自上而下法和以等离子增强化学气相沉积法为代表的自下而上法。自上而下法主要是经过溶液相构筑竖直石墨烯结构,可大量制备但操作流程复杂;而自下而上法则是通过化学沉积的方法直接生长竖直石墨烯阵列,操作简单且石墨烯性能优异。

图2 石墨烯基热界面材料的竖直热导率统计图

结构决定性质。如图2所示,张锦教授团队统计分析了不同结构的石墨烯材料的竖直热导率。相比于平面状的石墨烯薄膜以及石墨烯随机取向的复合材料,竖直结构的石墨烯材料具有更高的竖直热导率,表现出更优异的散热性能。其次,图中最高点(红色五角星)为PECVD法制备的竖直石墨烯的热导率,表明自下而上法在组装制备高性能石墨烯基热界面材料中更具潜力和优势。在该团队近期的工作中,他们首次将电场辅助PECVD法制备的竖直石墨烯阵列直接用作热界面材料,表现出比三维石墨烯纳米墙和商用导热胶带更优异的散热性能。(Adv. Funct. Mater. 2020, 2003302)最后他们展望,通过不断优化石墨烯的组装策略和制备工艺,有望制备出可被广泛应用的实用型竖直石墨烯基热界面材料。相关论文发表在Small Structures (DOI:10.1002/sstr.202000034)上