中南大学《ACS ANM》：石墨烯复合薄膜上的垂直石墨烯散热和电磁屏蔽

成果简介

石墨烯薄膜尽管成本高昂，但在电子领域却有着广泛的应用。机械剥离是生产石墨烯（GP）的一种经济有效的方法，但它们之间薄弱的互连会对薄膜的性能产生负面影响。为了解决这个问题，本文，中南大学张明瑜 教授团队在《ACS Appl. Nano Mater》期刊发表名为“Vertical Graphene on Graphene Composite Film for Heat Dissipation and Electromagnetic Shielding”的论文，研究将添加了少量氧化石墨烯（GO）的 GP 分散液真空过滤、干燥并压制成氧化石墨烯/石墨烯（GO/GP）薄膜。然后，利用电感耦合等离子体增强化学气相沉积（ICP-PECVD）技术在 GO/GP 薄膜表面原位生长垂直石墨烯（VG），并在其后进行石墨化处理，从而制备出 RGO/GP/VG 复合薄膜。

测试结果表明，RGO/GP/VG 复合薄膜的热导率高达 581.89 W m-¹K-1，比石墨化 RGO/GP 薄膜（376.65 W m-1K-¹）高出 54.5%，总厚度约为24μm。同时，还获得了优异的导电性和电磁屏蔽效果，分别达到 1556.01 S^cm-1和 60.40 dB。研究人员详细探讨了石墨化过程中 VG 的结构演变及其对 GP 薄膜双重功能的影响。RGO/GP/VG 复合薄膜性能的提高表明，原位生长的 VG 和石墨化的协同效应产生了更一致的热和电途径。

图文导读

方案1.复合膜的制备工艺

图1.（a、b）GO/GP/VG 的 SEM 图像。（c、d）RGO/GP/VG 的 SEM 图像。（e） GO/GP/VG 的 AFM 图像。（f） RGO/GP/VG 的 AFM 图像。

图1. (a) GO/GP/VG 的光场 TEM 图像。(b) RGO/GP/VG 的光场 TEM 图像。(c, e) GO/GP/VG 的 HRTEM TEM 图像。(d、f）RGO/GP/VG 的 HRTEM TEM 图像。

图3. (a) 薄膜的拉曼光谱。(b) GO/GP/VG 的拟合拉曼光谱。(c) RGO/GP/VG 的拟合拉曼光谱。(d) 薄膜的 XPS 光电子能谱。(e) GO/GP/VG 的拟合 XPS 光电子能谱。(f) RGO/GP/VG 的拟合 XPS 光电子能谱。

图4. (a) 薄膜的漫反射光谱。(b, c) 薄膜的 XRD 图谱。(d、e）石墨化过程中 VG 的结构演变。

图5. (a) 薄膜的热传导率。(b) 薄膜的时间-温度散热曲线。(c) RGO/GP 薄膜散热时的红外热图。(d) RGO/GP/VG 薄膜散热时的红外热图。

图6. (a) 薄膜的导电性。(b, c) 薄膜的电磁屏蔽系数。(d) 薄膜的电磁屏蔽功率系数。(e) 薄膜的电磁屏蔽机理。

小结

在本研究中，通过 ICP-PECVD 工艺在基底 GP 薄膜上原位生长了 VG，随后对复合薄膜进行了石墨化。研究了石墨化前后 VG 的形态和结构变化及其对薄膜整体热导率和 EMI SE 的影响。结果表明，VG 内部累积的缺陷以及 VG 与基底之间的界面可作为额外的极化中心，从而导致电磁波的极化损耗。此外，VG 的原位生长增强了薄膜的整体导电性，提高了其消散电磁波的能力。因此，GO/GP/VG 的 SE 和导电率分别达到了 56.95 dB 和 1111.27 S^cm-1。然而，缺陷阻碍了声子传输，导致 GO/GP/VG 的热导率仅为 221.28 W m-1^K-1。石墨化导致 VG 的边缘和缺陷减少。同时，大面积的连续基底层改善了基底表面 GP 薄膜之间的薄弱连接。

因此，复合薄膜获得了更有序的结构，同时增加并完善了导电和导热的途径。此外，石墨化后，连续热导和电导通路中石墨微晶的结晶度和晶粒尺寸大大提高，从而增加了声子平均自由通路和连续网络中的载流子密度。因此，RGO/GP/VG 复合薄膜的热导率提高到了 581.89 W m-¹k-1，与 GO/GP/VG 薄膜相比提高了 163.0%。此外，CNS 还可以作为散热翅片，使 RGO/GP/VG 的散热性能更加出色。此外，RGO/GP/VG 复合薄膜的电导率进一步提高到 1556.01 S^cm-1，增强了其反射和吸收电磁波的能力。因此，RGO/GP/VG 复合薄膜的 SE 值提高了 60.40dB，达到了13408.62 dB^cm2 g-1 的最佳比 SE 值。RGO/GP/VG 复合薄膜具有优异的综合性能，在热传导和电磁屏蔽领域具有广阔的应用前景。

文献：https://doi.org/10.1021/acsanm.3c05864