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                  石墨烯在散热领域中的应用—— 单层和少数层石墨烯

                  文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2018-5-15     浏览次数:    
                  首次将微机械剥离法制备的少数层石墨烯薄片应用于高功率的电子器件散热,结果表明当工作热通量在250 W/cm2 时,热点的温度下降了20 ℃之多。但是,由于难以控制少数层石墨烯的形状、层数、大小,并且制备效率低下,而实际应用中要求石墨烯质量高、形状和大小可控、产量高、价格低。故此微机械剥离的石墨烯不适合实际应用到国内半导体工业中。

                  本研究组在化学气相沉积制备石墨烯并将其应用到高功率芯片的热点散热方面做了一些工作。将用化学气相沉积制备的石墨烯转移到热功率芯片上,当热通量为430 W/cm2,发现单层和少数层石墨烯能使热功率芯片上热点的温度分别降低13 ℃和8 ℃,并讨论了影响其散热效率不同的原因。此外,还研究了不同的封装结构对散热效率的影响,如加入铝热沉,采用倒装芯片技术,用不同的温度检测方法比较了化学气相沉积法制备的石墨烯散热片对功率芯片热点散热的影响,结果表明,石墨烯在不同的结构中均能使芯片的热点温度降低。

                  另外,西安交大也做了类似的工作,他们将单层不连续石墨烯、单层连续石墨烯和双层连续石墨烯应用在功率芯片上的散热,结果表明单层连续石墨烯有较好的散热效果。韩国延世大学的Bae 等将化学气相沉积的石墨烯应用到柔性器件的散热,也取得了不错的效果。

                  利用化学气相沉积制备的石墨烯,其散热效果不仅取决于石墨烯片的大小及层数,而且在转移的过程中很容易引入杂质或产生褶皱和裂纹,这些也会影响石墨烯散热片的散热效果。如Pettes 等研究了残留的PMMA 对石墨烯热导率的影响。总之,对于化学气相沉积制备的石墨烯,当务之急是提高质量和优化转移方法,减少其转移过程中的损坏。而从长远看,直接将石墨烯生长在功率芯片表面而非通过转移的方法,是提高其散热效果的根本。

                  2.2 石墨烯薄膜
                  将石墨烯制备成宏观薄膜并保持其微观纳米效应是石墨烯应用到热管理中的重要途径。液相剥离是基于溶液制程的一种方法,这种方法容易通过旋涂、滴涂、浸涂、喷涂和静电纺丝等方法形成薄膜。美国加州大学河滨分校的Balandin 研究组将石墨烯溶液涂覆在塑料基板表面,结果表明其热导率达到40~90 W/(m·K),热导率比没有涂覆石墨烯膜的样品高了两个数量级。本研究组用3 法测试了通过真空抽滤所得的石墨烯薄膜,发现其横向热导率达约110 W/(m·K),将其应用到功率芯片的散热,结果表明当热通量为1200 W/cm2 时,热点温度下降了6 ℃。

                  另外一种将石墨烯制备成薄膜的方法是通过热还原或者化学还原氧化石墨烯。在热还原方面,中科院的团队系统地研究了800~1200 ℃范围内,温度对还原氧化石墨烯热导率的影响。结果表明,当温度为1200 ℃时,其热导率达到1043.5 W/(m·K)。

                  美国伦斯勒理工学院的Xin 等 研究了1600~2850 ℃范围内还原氧化石墨烯的热导率,结果表明当还原温度为2850 ℃时,其热导率达到1434W/(m·K),值得一提的是,他们是通过静电纺丝的方法制备的薄膜,适合大规模制备,有很好的柔韧性,并且没有粘结剂。

                  韩国全北国立大学的Han 等将1100 ℃还原的单层氧化石墨烯应用到氮化镓(GaN)发光二极管中,结果表明,和传统的发光二极管相比,嵌入了石墨烯的二极管,其峰值温度从58 ℃下降到53.2 ℃,平均温度从51.4 ℃下降到47.1 ℃,温度的下降对提高二极管的使用寿命具有积极影响。最近,浙江大学高超团队用高温还原氧化石墨烯,其热导率高达2053 W/(m·K)。

                  除了热还原氧化石墨烯之外,化学还原氧化石墨制备石墨烯薄膜也取得了广泛的应用。中科院成会明团队报道了通过氢碘酸还原氧化石墨烯制备石墨烯薄膜。韩国国立科技学院的Kumar 等采用类似的还原方法制备石墨烯导热薄膜,其导电率和热导率分别达243 S/cm 和1390 W/(m·K)。

                  总之,通过还原氧化石墨所得的石墨烯薄膜,其热导率和热还原的温度、化学还原时所用化学品等因素有关,一般其热导率可超过1000 W/(m·K)。这是一种非常有前途的大规模制备石墨烯导热膜的方法。

                  2.3 石墨烯复合薄膜
                  利用石墨烯的纳米效应,将石墨烯和其他材料制备成复合薄膜也是石墨烯应用到热管理中的途径之一。如中科院陈成猛团队制备出一种柔性的石墨烯-碳纤维复合膜散热片,结果表明其热导率达到977W/(m·K),其热传递的效果好于铜。

                  国防科大制备出三维的石墨烯-碳纳米环薄膜,其热导率可达946 W/(m·K)。浙江大学高超团队报道了一种快速湿纺组装(wet-spinning assembly)的方法制备石墨烯薄膜,其热导率达530~810 W/(m·K)。可见,将石墨烯和其他材料制备成复合薄膜,复合薄膜的热导率仍然可以达到一个较高的值,且优于铜。

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