隨著電子器件向著小型化、高功率密度的方向發(fā)展，如何有效的將高性能集成電路運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量及時(shí)的傳導(dǎo)出去，成為亟待解決的問題。其中，熱界面材料作為集成電路中的散熱部件，其熱導(dǎo)率的高低直接決定了散熱的效率。石墨烯是由sp2雜化的碳原子組成的単分子層，其理論面內(nèi)熱導(dǎo)率高達(dá)5000 W/M·K。因此，被認(rèn)為是制備熱界面材料的理想材料之一。但是，制備高質(zhì)量的石墨烯垂直陣列并將其用于熱界面材料仍然是未解決的問題。
北京大學(xué)張錦院士與中科院北京工程熱物理研究所張航研究員合作，采用電場輔助等離子體增強(qiáng)氣相沉積法（AEF-PECVD），制備了垂直排列的高質(zhì)量石墨烯陣列（VG），垂直方向熱導(dǎo)率達(dá)到了53.5 W/M·K，有望用于商用器件的散熱。該研究以題為“Electric‐Field‐Assisted Growth of Vertical Graphene Arrays and the Application in Thermal Interface Materials”發(fā)表在新一期的《Advanced Functional Materials》上。
首先，作者搭建了如圖1所示的裝置，利用電場的誘導(dǎo)取向作用，經(jīng)過6 h的生長，他們得到了厚度為18.7 μm的高質(zhì)量石墨烯陣列。
隨后，他們探究了三種碳源（甲烷、甲醇和乙醇）對于石墨烯生長速度、石墨化程度以及生長機(jī)理的影響機(jī)制。如圖2所示，在沒有電場的情況下，6 h后石墨烯層的厚度僅為10 μm。另外，碳源對于石墨烯生長速度的影響存在這樣的規(guī)律，甲醇>乙醇>甲烷。同時(shí)，甲醇作為碳源制備的石墨烯片層大小也更大。此外，甲醇和乙醇作為碳源制備的石墨烯的缺陷更少（ID/IG的值更?。＿@是由于醇類能夠產(chǎn)生羥基自由基，在石墨烯生長過程中，能夠去除石墨烯面上和邊緣的無定型碳，從而提升了石墨烯的石墨化程度。
基于以上結(jié)果，作者采用甲醇作為碳源，在EF-PECVD法制備了具有垂直取向的石墨烯陣列，如圖3所示。隨著電場的增大，石墨烯生長的速度加快，并且明顯高于無電場存在下的生長速度。此外，電場誘導(dǎo)制備出的石墨烯在高達(dá)幾微米的范圍內(nèi)都保持了良好的取向結(jié)構(gòu)，明顯優(yōu)于無電場下得到的石墨烯。
隨后，作者發(fā)現(xiàn)，利用AEF-PECVD法能在不同的基底上生長石墨烯陣列，說明該方法具有良好的普適性。從熱導(dǎo)率的結(jié)果也可以看出，該方法制備出的VG熱導(dǎo)率高達(dá)53.5 W/M·K，是無規(guī)石墨烯的5倍多。其界面熱阻也僅為無規(guī)石墨烯的1/3左右。隨后，作者將VG作為熱界面材料集成在電子元件中，進(jìn)行實(shí)際散熱測試。結(jié)果表明，VG的散熱能力明顯優(yōu)于商用的導(dǎo)熱膠帶和無規(guī)石墨烯材料。在10 V的工作電壓下，有VG材料的器件溫度比有商用膠帶的器件低了接近8 ℃，說明VG在熱管理方面具有良好的應(yīng)用前景。
總結(jié)：作者利用電場輔助等離子體增強(qiáng)氣相沉積法（AEF-PECVD），制備了垂直排列的高質(zhì)量石墨烯陣列。該石墨烯陣列的垂直熱導(dǎo)率達(dá)到了53.5 W/M·K，作為熱界面材料集成在電子器件中，能夠顯著降低器件的溫度，優(yōu)于商用的導(dǎo)熱膠帶。未來有望應(yīng)用到實(shí)際電子電氣產(chǎn)品中的散熱器件中。
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202003302?af=R
