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成果简介
本文，湖南大学陈鼎教授、南方科技大学邬苏东副教授、和中科院宁波材料技术与工程研究所林正得研究员在《Advanced Functional Materials》期刊发表名为“Soft and Self-Adhesive Thermal Interface Materials Based on Vertically Aligned, Covalently Bonded Graphene Nanowalls for Efficient Microelectronic Cooling”的论文，通过中间质 CVD 在石墨基底上合成了一种由高质量、垂直排列和共价键合的石墨烯纳米壁 (GNW) 组成的多孔薄膜，然后将 PDMS 渗透到 GNW 中以形成复合材料。
获得的样品可以很容易地从基材上剥离，并且本质上是柔软的和自粘的。我们的复合薄膜在低石墨烯含量 (5.6 wt%) 下表现出 20.4 W m -1 K -1的高贯穿平面热导率，每 1 wt% 的填料具有显着的热导率增强 ≈2006。TIM 性能测量表明，基于 GNW 的 TIM 的冷却效率比最先进的商业 TIM 的冷却效率高 ≈1.5 倍（≈5.0 W m -1 K -1)，展示了 GNW-TIM 在冷却大功率发光二极管 (LED) 器件方面的出色散热能力。
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图文导读
图1.a) 自制 CVD 系统的照片。b) GNW 的生长机制。c) 生长的 GNW 薄膜。d,e) GNW 的横截面和 f) 表面 SEM 图像。g,h) 相应的 TEM 图像。i) XRT 分析显示了 GNW 薄膜的内部结构。j) XRD 图案和 k) GNW 的拉曼光谱。
图2、a) 独立式复合薄膜的制造过程。
b) 在 PDMS 浸润前后 GNW 和复合材料的表面形态。
c) 复合膜表现出易于成型、出色的可折叠性和 d) 良好的自粘性。
e) 样品的面内和面内热扩散率/电导率。
f) 红外图像和 g)复合材料和纯钛的相应表面温度随加热时间的变化。
h) 样品的 TGA 曲线。
图3、a）本文研究与具有不同类型石墨烯结构的其他聚合物复合材料之间沿优选热传导方向的特定 TCE 的比较。
b) 计算出的通过范德华 (vdW) 相互作用和共价键连接的相邻石墨烯之间的界面热阻 ( R )。
c) (a) 这些类型的复合材料沿优选热传导方向的传热性能的模拟比较。
图4、a) 显示用于 TIM 性能评估的系统配置的插图。加热器的表面温度随 b) 加热时间（输入功率：30 W）和 c) 300 秒加热后不同输入功率的变化而变化。d) GNW-TIM 良好的热循环稳定性。e) 作为有效热导率函数的加热器温度。f) 模拟比较表明使用 GNW-TIM 提高了冷却效率。
图5、a) 商用 LED 模块的照片和 b) LED 灯散热的实验配置。c) LED 灯的表面温度随运行时间的变化和 d) 相应的红外图像。
图6、a) 基于积分球的大功率LED灯发光特性测量配置。b) 使用两个 TIM 的 LED 灯在点亮 300 秒后的稳态温度。相应的 c) 光通量 (LF)、d) 发光效率 (LE)、e) 转换效率 (CE) 和 f) 作为运行时间函数的显色指数 (CRI)。
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小结
在这项研究中，通过中间等离子体 CVD 制备了由高质量、垂直排列和共价键合的 GNW 组成的薄层，其生长速度比使用传统的等离子体增强 CVD 快两个数量级，从而实现了独立薄膜为 TIM 应用提供精确可控的厚度。研究结果为未来的研究提供了见解，以制造具有最佳填料结构设计的高性能 TIM，以实现电子/光电设备的高效冷却。
文献：
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202104062
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