芯片集成度的提高对散热的要求越来越高，直接影响到器件的寿命和运行可靠性。研究人员正在关注具有高导热性的材料，因为它们可以有效地传递热量以降低器件的局部热点温度。单层石墨烯的导热系数为5300 W/mK，在所有已知材料中导热系数最高，在热管理方面的应用潜力最大。然而，单层石墨烯由于热流通量不足，通常不能直接应用于电子器件的散热，在实际应用中需要将其组装成宏观薄膜。单层石墨烯和宏观石墨烯薄膜(GFs)之间的导热系数差异显著，主要是由于面外声子模式的声子共振效应和GFs中的结构缺陷。因此，导热石墨烯薄膜的构象关系和结构调制成为重要的研究热点。据报道，宏观石墨烯薄膜的导热性受到多种因素的影响，包括皱褶、晶界、孔隙率等。然而，由于制备过程的复杂性，调制上述结构缺陷仍然是困难的。
目前，大尺寸氧化石墨烯是制备高导热石墨烯的理想前驱体。然而，在实际应用中存在一些挑战。一方面，制备大尺寸氧化石墨烯过程繁琐，制备收率低，成本高。此外，尺寸的增加加剧了薄膜形成过程中更大的皱纹和更多微孔的形成，这限制了提高GF导热系数的潜力。因此，平均横向尺寸在几微米范围内(~1-10 μm)的氧化石墨烯由于其低成本和商业可用性而被普遍使用，这阻碍了高导热性的实现。
近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所纳米材料与器件实验室丁古巧、何朋团队在石墨烯导热膜尺寸效应研究方面取得进展。该团队探讨了氧化石墨烯尺寸变化对石墨烯导热膜性能的影响即尺寸效应。为了消除原料片层厚度等其他参数的影响，从同一氧化石墨原料出发，该研究采用机械剪切方式制备了平均横向尺寸覆盖亚微米至微米尺度的11组氧化石墨烯。分析表明，超小尺寸氧化石墨烯在高温石墨化过程更利于气体的排出而避免缺陷产生，且小晶粒在高温石墨化过程中易于融合和长大。这表明选择亚微米超小尺寸氧化石墨烯是制备高性能石墨烯导热膜的重要策略。同时，相对于大尺寸氧化石墨烯原料，亚微米超小尺寸氧化石墨烯的更易获得，规模化制备难度和成本更低。基于上述成果，该团队以超小尺寸氧化石墨烯为原料，在~ 110 μm膜厚时实现了1550.06 ± 12.99 W/mK的横向热导率，超过此前文献报道的水平。该水平与使用大尺寸氧化石墨烯制备的导热膜相近，且纵向热导率更高。在实际应用场景中，相较于裸芯片，芯片表面温度在装载石墨烯导热膜后有所降低，最大降温幅度达到21.2 ℃，芯片表面温度分布更加均匀。因此，超小尺寸氧化石墨烯制备的高性能导热膜可以较好地满足电子器件实际热管理需求。这为制备高性能石墨烯导热膜提供了新思路，并为提升石墨烯导热膜纵向导热性能提供了新线索。研究成果以“Anomalous size effects of ultra-small graphene sheets on the thermal properties of macroscopic films ”为题发表在《Chemical Engineering Journal 》。
图1. 11组氧化石墨烯样品的形貌表征；
图2. GF制造工艺示意图；
图3. GF的传热性能
图4. 石墨烯薄膜的亚微观结构缺陷；
图5. GFs的晶粒度分析。
图6. 提出了石墨烯前驱体尺寸对石墨烯薄膜导热性影响的机制。
