上海大学石墨烯基薄膜散热研究取得突破性进展

电子和光子器件的散热问题是影响电子技术进一步发展的瓶颈之一。上海大学机电工程与自动化学院国家千人计划专家,中瑞微系统集成技术中心主任,瑞典皇家工程科学院院士刘建影教授团队最近开发了一种石墨烯功能化的方法,该方法能有效地提高石墨烯散热片的散热效率。刘建影教授团队研究了不同的氨基和叠氮化硅烷分子功能化后的石墨烯,结果表明,和没有功能化的石墨烯相比,功能化后的石墨烯基薄膜散热效率提高了至少76%。研究发现,散热效率的提高要归结于功能化导致了界面热阻急剧降低。同时,该团队和其他合作伙伴一起利用分子动力学模拟和第一性原理计算进一步揭示了其原理,研究表明功能化限制了横向低频声子的纵向散射,通过延长弯曲声子的寿命从而加强了石墨烯基薄膜的横向热导率。

这些结果为在基板上的石墨烯基薄膜功能化,从而为电子与电力系统热管理解决方案提供了直接和明确的证据。刘建影教授说“总之,我们认为我们找到了一把提高石墨烯基薄膜散热效率的金钥匙,我们的工作开辟了大规模应用石墨烯基薄膜散热的新途径”。

在研究中,该团队研究了不同的功能化分子,这些分子在石墨烯和二氧化硅基板之间形成了共价键。并采用了先进的脉冲光热反射技术,测得功能化后,功能化层两侧的界面热阻分别减小了76% 和65%。他们的研究也是该领域第一次比较系统和全面的研究。

事实上,尽管石墨烯本身有着很高的热导率(大于5000W/mK)超过铜的10倍以上,石墨烯基薄膜本身的热导率也接近2000 W/mK,是铜的5倍,但其和基板之间的巨大的界面热阻仍是其热管理应用重要的制约因素之一。石墨烯被誉为21世纪的“新材料之王”,它是迄今为止所发现的最薄、最坚硬、导电和导热性能最好的一种新型纳米材料,有科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。英国曼彻斯特大学的两位科学家因为在石墨烯方面的研究工作而获得2010年诺贝尔物理学奖。

该成果的共同第一作者为刘建影教授的博士生、上海大学控制科学与工程学科张勇。张勇设计、制备了测试芯片,并对不同的功能化方案在测试芯片上的散热效果进行了系统的检测和评估。主要合作单位为法国中央纳米研究院、瑞典查尔姆斯理工大学和斯马特高科技有限公司、英国兰卡斯特大学、美国明尼苏达大学、德国马普高分子研究所、芬兰阿尔托大学和俄罗斯科学院。该研究得到国家自然科学基金、上海市科委、上海市教委高峰高原学科、欧盟和瑞典战略研究基金等相关项目的资助。

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