【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】隨著集成電路功率密度的不斷增加，散熱問題已成為制約芯片性能、穩(wěn)定性和壽命的瓶頸。石墨烯因其優(yōu)異的導(dǎo)熱性能(單層石墨烯熱導(dǎo)率高達(dá)5300 W·m?1·K?1)被認(rèn)為是理想的熱管理材料，由石墨烯片組裝而成的石墨烯膜已在5G通訊終端中獲得廣泛應(yīng)用。然而，隨著芯片性能的不斷提升，現(xiàn)有石墨烯膜已無法滿足實(shí)際應(yīng)用對熱流承載能力的要求。石墨烯膜的熱流承載能力由其熱導(dǎo)率和厚度共同決定，如何兼顧高導(dǎo)熱與大厚度，特別是處理二者的矛盾關(guān)系，是科學(xué)研究的重要課題和技術(shù)開發(fā)的難點(diǎn)所在。
 

　　上海微系統(tǒng)所丁古巧研究員、何朋副研究員團(tuán)隊(duì)長期致力于石墨烯材料可控制備和器件熱管理應(yīng)用研究，近期在高載熱石墨烯膜結(jié)構(gòu)調(diào)控和制備領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表于《Advanced Science》和《Carbon》。
 

　　1. 基于氣體逸散通道優(yōu)化構(gòu)建的高熱載墨烯膜制備策略
 

　　在傳統(tǒng)石墨烯膜制備技術(shù)中，高溫過程使GO原料官能團(tuán)脫除并釋放大量氣體(如CO、CO2)，氣體積累導(dǎo)致薄膜膨脹、結(jié)構(gòu)缺陷增多，嚴(yán)重降低熱導(dǎo)率。研究團(tuán)隊(duì)提出在GO膜內(nèi)部預(yù)先構(gòu)建有序扁平孔道，引導(dǎo)高溫處理時的氣體定向逃逸，減少結(jié)構(gòu)破壞，從而構(gòu)建高度取向的厚膜結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)熱導(dǎo)率突破性提升基于該策略及相關(guān)參數(shù)優(yōu)化，最終成功制備出厚度超110微米、熱導(dǎo)率高達(dá)1781 W·m?¹·K?¹的石墨烯膜，較傳統(tǒng)方法性能提升16.2%并在降低芯片熱點(diǎn)溫度方面表現(xiàn)出極大潛力。該工作有效解決了石墨烯膜在厚度增加時熱導(dǎo)率急劇下降的難題，為高功率密度電子設(shè)備熱管理提供了新方案。相關(guān)論文以“Achieving Ultra-High Heat Flux Transfer in Graphene Films via Tunable Gas Escape Channels”為題發(fā)表于Advanced Science2025, 12, 2410913.(https://doi.org/10.1002/advs.202410913)，論文第一作者為上海微系統(tǒng)所博士生鄭豪龍，通訊作者為何朋副研究員、丁古巧研究員和寧波大學(xué)王剛教授。
 

        研究亮點(diǎn)

 

　　(1)氣體逸散通道的構(gòu)建：通過氧化石墨烯(GO)膜濕化膨脹結(jié)合冷凍干燥技術(shù)，在前驅(qū)體中預(yù)先構(gòu)建有序的多孔結(jié)構(gòu)，為石墨烯膜熱還原過程中產(chǎn)生的氣體提供逸散通道。
 

　　(2)高度取向石墨烯厚膜結(jié)構(gòu)：低缺陷密度(ID/IG=0.012)、高取向(f =0.959)和大晶粒尺寸(Lc=44.5 nm)。
 

　　(3)卓越散熱性能：膜厚度110 μm，熱導(dǎo)率高達(dá)1781 W·m?¹·K?¹，實(shí)現(xiàn)對熱流密度2000 W·cm?2芯片的高效散熱降溫。
 

　　2. 高載熱石墨烯膜的研究進(jìn)展綜述
 

　　宏觀石墨烯膜具有較高的面內(nèi)熱導(dǎo)率，已成功應(yīng)用于便攜式電子器件的熱管理。在過去的幾十年里，調(diào)控石墨烯膜微觀結(jié)構(gòu)并提高面內(nèi)熱導(dǎo)率一直是學(xué)術(shù)研究的重點(diǎn)。近年來，隨著電子器件向高功率和小型化方向發(fā)展，載熱能力作為反映石墨烯膜實(shí)際散熱效果的綜合性能參數(shù)。載熱能力由面內(nèi)熱導(dǎo)率和膜厚度兩者共同決定，深入了解膜厚度與熱導(dǎo)率的復(fù)雜關(guān)系對于提升載熱能力的至關(guān)重要。研究團(tuán)隊(duì)從結(jié)構(gòu)工程的角度，梳理了厚度、熱導(dǎo)率與石墨烯膜載熱量之間的關(guān)系，系統(tǒng)回顧了高載熱石墨烯膜的研究進(jìn)展，重點(diǎn)探討了石墨烯膜導(dǎo)熱性能的影響因素以及優(yōu)化策略。揭示了石墨烯膜熱導(dǎo)率隨厚度下降的機(jī)制，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能提升方面指出當(dāng)前研究面臨的挑戰(zhàn)，展望了未來在高功率電子熱管理中石墨烯膜的發(fā)展前景。相關(guān)論文以“Thermally conductive graphene-based films for high heat flux dissipation”為題發(fā)表于Carbon 2025, 233, 119908(https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119908)，論文第一作者為上海微系統(tǒng)所博士生鄭豪龍，通訊作者為何朋副研究員、丁古巧研究員。
 

         研究亮點(diǎn)

 

　　(1)提出載熱量是評估石墨烯膜綜合散熱性能的指標(biāo)參數(shù)，更適用于石墨烯膜在高功率密度電子器件實(shí)際散熱應(yīng)用中的評價。
 

　　(2)系統(tǒng)回顧了近年來分別在提高石墨烯膜熱導(dǎo)率和厚度兩方面的研究進(jìn)展，包括膜結(jié)構(gòu)調(diào)控的策略和機(jī)制。
 

　　(3)分析了組裝高導(dǎo)熱石墨烯厚膜面臨的困境，并梳理了兼顧高厚度和高熱導(dǎo)率石墨烯膜的制備策略，提出制備高載熱石墨烯膜面臨的挑戰(zhàn)及未來發(fā)展方向。
 

　　以上工作得到國家自然科學(xué)基金(51802337, 11774368, 11804353, 62174093)資金支持。