共价键构成的石墨烯-碳纳米管混合结构作为高效导热界面材料

在过去的三十年中，微纳加工技术的迅速发展使得电子器件持续小型化和高度集成化，尺寸更小、运算更快的电子产品不断被推出，新型电子器件及其应用成为近年来发展很快的一个领域。与此同时，电子器件的能耗也随着运算速度的提高而迅速增加，器件的小型化和集成化更使得大量的热能耗散在很小的区域，使得能耗密度急剧增长。此外，芯片内部能耗分布非常不均匀：局部的能耗密度能达到芯片平均值的五到十倍，形成热流大且温度很高的“热点”(hot spots)，严重限制了整体器件的性能和可靠性。因此，纳米尺度的热控制已成为微处理器芯片设计中非常关键的环节，成为当今研究重点关注的方向。

石墨烯和碳纳米管具有极高的本征热导率，近年来在热控制方面引起了人们的广泛关注。研究发现，由于碳纳米管与其他材料的接触面积太小，使得两者间的接触热阻要远大于碳纳米管的本征热阻。石墨烯作为二维材料，可以提供较大的接触面，并且具有优异的平面内导热性能。但是多层石墨烯层间的范德华力导致了较大的层间热阻，使得其垂直于平面方向（c-axis）的热导率要比平面内热导率低超过2个数量级，显示出明显的各向异性热传导。因此，石墨烯的层间热阻极大地限制了其在导热界面材料方面的应用。

同济大学声子学与热能科学中心陈杰研究员与瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH) Koumoutsakos教授研究小组合作，提出了一种显著提高石墨烯层间导热性能的新方法：用sp2共价键（强相互作用）来代替石墨烯层间范德华力（弱相互作用），构造无缝连接的石墨烯-碳纳米管混合结构。通过计算机模拟，该团队发现相比于范德华相互作用，共价键连接极大地提高了石墨烯中的晶格振动模式（声子）在垂直方向的传输系数，使得该混合结构沿垂直方向的热导率比相同厚度的多层石墨烯高出2个数量级，并且该混合结构的热阻比最先进的（the state-of-the-art）导热界面材料低3个数量级。因此，该混合结构既能通过石墨烯提供良好的接触面，降低接触热阻，同时具有优异的垂直方向导热性能，是理想的导热界面材料。最后，该团队还展示了通过流体将固体混合结构中的热量移除，提供了一种基于石墨烯-碳纳米管混合结构冷却高温表面的可行方案。相关结果发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201501593)。