6 月 23 日消息，近日，中國科學院上海微系統(tǒng)所聯(lián)合寧波大學研究團隊在《Advanced Functional Materials》發(fā)表研究，提出以芳綸膜為前驅(qū)體通過高溫石墨化工藝制備低缺陷、大晶粒、高取向的雙向高導(dǎo)熱石墨膜，在膜厚度達到 40 微米的情況下實現(xiàn)面內(nèi)熱導(dǎo)率 Kin 達到 1754W/m·K，面外熱導(dǎo)率 Kout 突破 14.2W/m·K。與傳統(tǒng)導(dǎo)熱膜相比，雙向高導(dǎo)熱石墨膜在面內(nèi)和面外熱導(dǎo)率及缺陷控制上均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。

圖 1. 雙向高導(dǎo)熱石墨膜的導(dǎo)熱性能及其在電子熱管理中的應(yīng)用

據(jù)了解，傳統(tǒng)石墨膜制備以氧化石墨烯或聚酰亞胺為原料，面臨氣體逸散導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)缺陷難題。該研究提出選用芳綸膜作為前驅(qū)體，利用其低氧含量（~11%）和氮摻雜特性（氮含量~9%），在 3000 ℃高溫處理時實現(xiàn)缺陷自修復(fù)、晶粒定向生長及氣體逸散優(yōu)化。芳綸中氮原子促進晶格缺陷修復(fù)，退火后雙向高導(dǎo)熱石墨膜缺陷指標 ID/IG 低至 0.008；芳綸分子中有序苯環(huán)為石墨晶格提供生長模板，使面內(nèi)晶粒尺寸（La）達 2179 nm、面外有序堆疊尺寸（Lc）達 53 nm。雙向高導(dǎo)熱石墨膜通過結(jié)構(gòu)調(diào)控展現(xiàn)出優(yōu)異的雙向?qū)嵝阅埽好鎯?nèi)熱導(dǎo)率 1754 W/m·K，較同條件下氧化石墨烯衍生膜提升 17%；面外熱導(dǎo)率 14.2 W/m·K，提升 118%，突破碳基薄膜面外熱導(dǎo)率瓶頸；亂層堆垛比例僅 1.6%，接近理想石墨 AB 堆疊結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)導(dǎo)熱膜相比，雙向高導(dǎo)熱石墨膜在面內(nèi)和面外熱導(dǎo)率及缺陷控制上均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。在智能手機散熱模擬中，搭載雙向高導(dǎo)熱石墨膜的芯片表面最高溫度從 52 ℃降至 45 ℃；在 2000 W / cm2 熱流密度的高功率芯片散熱中，AGFs 使芯片表面溫差從 50 ℃降至 9 ℃，實現(xiàn)快速溫度均勻化。

圖 2. 雙向高導(dǎo)熱石墨膜制備機制示意圖

該研究揭示了芳綸前驅(qū)體在石墨膜制備中的獨特優(yōu)勢，證明了氮摻雜與低氧含量前驅(qū)體可提升石墨膜結(jié)晶質(zhì)量和雙向?qū)崽匦裕潆p向?qū)嵝阅芡黄瓶蔀?5G 芯片、功率半導(dǎo)體等高功率器件熱管理提供關(guān)鍵材料和技術(shù)支撐。