中國粉體網(wǎng)訊 同濟大學(xué)聲子學(xué)與熱能科學(xué)中心陳杰研究員與瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH) Koumoutsakos教授研究小組合作，提出了一種顯著提高石墨烯層間導(dǎo)熱性能的新方法：用sp2共價鍵（強相互作用）來代替石墨烯層間范德華力（弱相互作用），構(gòu)造無縫連接的石墨烯-碳納米管混合結(jié)構(gòu)。通過計算機模擬，該團隊發(fā)現(xiàn)相比于范德華相互作用，共價鍵連接極大地提高了石墨烯中的晶格振動模式（聲子）在垂直方向的傳輸系數(shù)，使得該混合結(jié)構(gòu)沿垂直方向的熱導(dǎo)率比相同厚度的多層石墨烯高出2個數(shù)量級，并且該混合結(jié)構(gòu)的熱阻比最先進的（the state-of-the-art）導(dǎo)熱界面材料低3個數(shù)量級。因此，該混合結(jié)構(gòu)既能通過石墨烯提供良好的接觸面，降低接觸熱阻，同時具有優(yōu)異的垂直方向?qū)嵝阅埽抢硐氲膶?dǎo)熱界面材料。最后，該團隊還展示了通過流體將固體混合結(jié)構(gòu)中的熱量移除，提供了一種基于石墨烯-碳納米管混合結(jié)構(gòu)冷卻高溫表面的可行方案。
在過去的三十年中，微納加工技術(shù)的迅速發(fā)展使得電子器件持續(xù)小型化和高度集成化，尺寸更小、運算更快的電子產(chǎn)品不斷被推出，新型電子器件及其應(yīng)用成為近年來發(fā)展很快的一個領(lǐng)域。與此同時，電子器件的能耗也隨著運算速度的提高而迅速增加，器件的小型化和集成化更使得大量的熱能耗散在很小的區(qū)域，使得能耗密度急劇增長。此外，芯片內(nèi)部能耗分布非常不均勻：局部的能耗密度能達到芯片平均值的五到十倍，形成熱流大且溫度很高的“熱點”(hot spots)，嚴重限制了整體器件的性能和可靠性。因此，納米尺度的熱控制已成為微處理器芯片設(shè)計中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，成為當(dāng)今研究重點關(guān)注的方向。
石墨烯和碳納米管具有極高的本征熱導(dǎo)率，近年來在熱控制方面引起了人們的廣泛關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，由于碳納米管與其他材料的接觸面積太小，使得兩者間的接觸熱阻要遠大于碳納米管的本征熱阻。石墨烯作為二維材料，可以提供較大的接觸面，并且具有優(yōu)異的平面內(nèi)導(dǎo)熱性能。但是多層石墨烯層間的范德華力導(dǎo)致了較大的層間熱阻，使得其垂直于平面方向（c-axis）的熱導(dǎo)率要比平面內(nèi)熱導(dǎo)率低超過2個數(shù)量級，顯示出明顯的各向異性熱傳導(dǎo)。因此，石墨烯的層間熱阻極大地限制了其在導(dǎo)熱界面材料方面的應(yīng)用。
該項研究得到了中組部“青年****”、同濟大學(xué)“領(lǐng)航計劃”，ETH研究基金以及歐洲研究委員會高級研究基金(ERC Advanced Grant)的資助。相關(guān)結(jié)果發(fā)表于Advanced Functional Materials (Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 7539-7545)。Materials Views網(wǎng)站在線報道了這項工作。
