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北京大学张锦院士团队:垂直排列的石墨烯阵列!散热技术新突破

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  • 时间:2020-07-07 16:20:11

       

     随着电子器件向着小型化、高功率密度的方向发展,如何有效的将高性能集成电路运行过程中产生的热量及时的传导出去,成为亟待解决的问题。其中,热界面材料作为集成电路中的散热部件,其热导率的高低直接决定了散热的效率。石墨烯是由sp2杂化的碳原子组成的単分子层,其理论面内热导率高达5000 W/M·K。因此,被认为是制备热界面材料的理想材料之一。但是,制备高质量的石墨烯垂直阵列并将其用于热界面材料仍然是未解决的问题。北京大学张锦院士中科院北京工程热物理研究所张航研究员合作,采用电场辅助等离子体增强气相沉积法(AEF-PECVD),制备了垂直排列的高质量石墨烯阵列(VG),垂直方向热导率达到了53.5 W/M·K,有望用于商用器件的散热。该研究以题为“Electric‐Field‐Assisted Growth of Vertical Graphene Arrays and the Application in Thermal Interface Materials”发表在新一期的《Advanced Functional Materials》上。

       首先,作者搭建了如图1所示的装置,利用电场的诱导取向作用,经过6 h的生长,他们得到了厚度为18.7 μm的高质量石墨烯阵列。

图1 VG的制备过程示意图以及形貌表征

      随后,他们探究了三种碳源(甲烷、甲醇和乙醇)对于石墨烯生长速度、石墨化程度以及生长机理的影响机制。如图2所示,在没有电场的情况下,6 h后石墨烯层的厚度仅为10 μm。另外,碳源对于石墨烯生长速度的影响存在这样的规律,甲醇>乙醇>甲烷。同时,甲醇作为碳源制备的石墨烯片层大小也更大。此外,甲醇和乙醇作为碳源制备的石墨烯的缺陷更少(ID/IG的值更小)。这是由于醇类能够产生羟基自由基,在石墨烯生长过程中,能够去除石墨烯面上和边缘的无定型碳,从而提升了石墨烯的石墨化程度。

图2 碳源对于石墨烯生长的影响

       基于以上结果,作者采用甲醇作为碳源,在EF-PECVD法制备了具有垂直取向的石墨烯阵列,如图3所示。随着电场的增大,石墨烯生长的速度加快,并且明显高于无电场存在下的生长速度。此外,电场诱导制备出的石墨烯在高达几微米的范围内都保持了良好的取向结构,明显优于无电场下得到的石墨烯。

图3 电场对于石墨烯生长的影响

       随后,作者发现,利用AEF-PECVD法能在不同的基底上生长石墨烯阵列,说明该方法具有良好的普适性。从热导率的结果也可以看出,该方法制备出的VG热导率高达53.5 W/M·K,是无规石墨烯的5倍多。其界面热阻也仅为无规石墨烯的1/3左右。随后,作者将VG作为热界面材料集成在电子元件中,进行实际散热测试。结果表明,VG的散热能力明显优于商用的导热胶带和无规石墨烯材料。在10 V的工作电压下,有VG材料的器件温度比有商用胶带的器件低了接近8 ℃,说明VG在热管理方面具有良好的应用前景。

图4 VG作为热界面材料,对于器件散热的应用对比

       总结:作者利用电场辅助等离子体增强气相沉积法(AEF-PECVD),制备了垂直排列的高质量石墨烯阵列。该石墨烯阵列的垂直热导率达到了53.5 W/M·K,作为热界面材料集成在电子器件中,能够显著降低器件的温度,优于商用的导热胶带。未来有望应用到实际电子电气产品中的散热器件中。

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202003302?af=R