北大在石墨烯散热材料取得新突破，迎接5G时代

热界面材料（TIMs）在现代电子工业中至关重要，因为高性能的集成电路制造需要高效的散热技术。石墨烯，由单层SP²杂化C原子组成，具有高达至5000W/M·K的面内热导率，因此，可以认为它是热界面材料有潜力的候选材料。在设计用于下一代TIM的基于石墨烯的复合材料方面研究很多，包括石墨烯-有机聚合物-树脂复合材料（例如环氧树脂，聚氨酯和有机硅）和无机热传导性填料的复合材料（诸如氮化硼和氧化锌）。然而，石墨烯纳米薄片的随机排列、石墨烯和配合面之间接触不良、以及具有较差热传导性的添加剂趋于抑制石墨烯的优良各向异性热传导性。

原则上，垂直石墨烯（VG）的传热能力要高于随机排列的石墨烯基复合材料的传热能力。许多方法已被开发用于VG结构的构造中，包括通过物理机械加工的自顶向下方法和通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）的自下而上方法。使用机械加工，分别通过定向冷冻干燥和收缩压缩可获得垂直排列的石墨烯泡沫和垂直石墨烯整料。这两个垂直石墨烯结构均显示出优异的导热性。除了机械方法，使用PECVD方法，VG可直接生长在各种基底上，包括微波PECVD，电感耦合PECVD，电容耦合PECVD，和直流PECVD。通常通过电感耦合PECVD和微波PECVD观察到由无规纳米片组装而成的小花瓣状和森林状石墨烯。垂直排列的石墨烯纳米薄片可以使用电容耦合PECVD和直流PECVD生长至几百纳米的高度。然而，提高生长速度和同时准确地控制VG的取向仍然具有挑战性。因此，迫切需要开发一种简单的方法来高速生长具有规则取向石墨烯片的垂直石墨烯（VG）。

为解决这个难题，近日，北京大学张锦院士课题组开发了一种基于乙醇的电场辅助等离子体增强化学气相沉积法(AEF)-PECVD来生长高质量垂直石墨烯阵列。乙醇基碳源用于产生羟基自由基，以提高生长速率并减少缺陷的形成。垂直电场有助于石墨烯片排列。使用这种方法，高质量垂直石墨烯阵列构造的热界面材料具有53.5 W m ^-1 K ^-1的高垂直导热率和11.8 K mm ² W ^-1的低接触热阻，表明其在散热技术中有巨大潜力！相关研究工作以“Electric-Field-AssistedGrowth of Vertical Graphene Arrays and the Application in Thermal InterfaceMaterials”为题发表在国际顶级期刊《AdvancedFunctional Materials》上。

图1. VG阵列的实验设置和典型形态

图2.羟基的蚀刻作用

醇基材料作为碳源，它在等离子体轰击下分解成各种自由基。随后，碳基活性物质迁移到石墨烯片的边缘，导致VG持续增长。可以在低温（约650°C）下在不同的基材（例如铜箔，玻璃，硅片等）上实现合成。结果表明，该方法可以同时实现石墨烯的快速垂直生长。用甲醇合成的石墨烯纳米壁表现出最大的片层尺寸，横向尺寸大于300nm的占比超过90%。乙醇占第二，其次是面积最小的甲烷。薄片尺寸的等级与石墨烯纳米壁的生长速率非常吻合，甲醇衍生的石墨烯薄片具有最快的速度，乙醇衍生的石墨烯片材的缺陷浓度低且质量更好。

图3. 电场对生长的影响

图4热性能和实际应用

为了评估电子设备中VG阵列作为热界面材料的潜力，设计了一个系统来模拟电子组件中的散热。与商用的导热胶带和无序排列石墨烯材料进行对比，结果发现VG阵列在三种电压下在三种热界面材料中表现出最佳的散热效果。作者开发了一种电场辅助等离子体增强化学气相沉积法，在各种基底上生长具有高导热率的垂直石墨烯（VG）阵列。取向良好的低缺陷浓度的VG阵列在30 V cm^-1的电场下生长6小时后可以达到18.7 µm的高度，最大生长速率约为≈3µm h ^-1。全面研究了醇基碳源和电场对生长速率、缺陷浓度和片材取向的影响。基于VG阵列的TIM具有出色的热性能，即垂直热导率为53.5 W m^-1K^-1和接触热阻为11.8 K mm²W^-1，其性能优于商用导热胶带和无序排列的石墨烯纳米壁。通过AEF-PECVD方法合成的高质量VG阵列为解决电子行业的散热问题提供新的策略，电子产品发烫问题有望得到解决！

本文转载自【材料＋】

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