Nano Res.[碳]│北京大学刘忠范团队：通过形貌控制石墨烯功能层实现芯片热管理中传导与辐射的共同增强

背景介绍

当今社会，微型电子器件如智能手机、笔记本电脑、芯片嵌入式系统等已经成为人们日常生活和工业生产的不可或缺的一部分。随着电子产品不断向小型化和集成化方向发展，芯片的有效散热已成为影响其使用寿命和运行效率的关键因素。微小的温度上升，都有可能会引起芯片的“热崩溃”，严重影响其可靠性和使用寿命。因此，在微电子器件和系统的开发和部署中，有效的芯片热管理变得至关重要。

成果简介

北京大学刘忠范教授团队开发了一种三维结构的石墨烯热传输功能材料，其形态可以通过PECVD方法进行定制，以满足热传输特性的多样化要求。具体来说，通过氢气辅助PECVD工艺（H₂-PECVD）策略制备了具有发射率高达~0.98的多级分支结构的石墨烯（BVG）。通过电场辅助PECVD工艺（EF-PECVD）则可以制备垂直取向的石墨烯（OVG），其纵向热导率高达~53.5 W m^-1 K^-1。OVG沉积在芯片与散热器的接触界面上，作为热传导增强层，促进热量从芯片快速传递到散热片。BVG则沉积在散热器的翅片表面，作为热辐射增强层，促进热量从散热器快速辐射到周围空气中。利用这种设计理念，可以共同增强芯片冷却系统中的两个关键界面，实现了~30.7%的显著冷却效率提升。最重要的是，这两种石墨烯热传输功能层可以通过PECVD工艺与商用的散热器直接复合，无需改变原有的散热系统结构，展现出这种新型材料在增强冷却系统性能方面具有巨大潜力。这项研究不仅为电子设备的冷却系统提供了新的设计理念，而且为石墨烯材料在热管理中的应用开辟了新的途径。

图文导读

图1 应用于芯片散热系统的石墨烯热传输功能层的设计思路

图2 BVG的制备与热辐射增强性质

图3 OVG的制备与热传导增强性质

图4 石墨烯热传输功能层的实际散热效果

作者简介

刘忠范，北京大学博雅讲席教授，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，中组部首批万人计划杰出人才，首批国家杰出青年科学基金获得者。英国物理学会会士，英国皇家化学会会士，中国化学会会士，中国化工学会会士，中国微米纳米技术学会会士。1983年毕业于长春工业大学化工系，1984年留学日本，1990年获东京大学博士，1991-1993年东京大学和国立分子科学研究所博士后。1993年6月回北京大学任教，同年晋升教授。1997年创立北京大学纳米科学与技术研究中心，现任北京大学纳米科学与技术研究中心主任。2016年创建北京石墨烯研究院并担任院长至今。刘忠范院士自1998年以来一直从事纳米碳材料生长方法研究，2008年进入石墨烯领域。刘忠范院士在石墨烯材料的CVD生长方法、应用探索、以及产业化核心技术研发方面做出了一系列原创性和引领性工作，在石墨烯薄膜材料的宏量制备技术和装备研发方面走在世界前列。刘忠范院士发表学术论文640余篇，申请中国发明专利140余项。曾任国家攀登计划（B）、973计划、纳米重大研究计划项目首席科学家、国家自然科学基金“表界面纳米工程学”创新研究群体学术带头人（三期）、国家自然科学基金“石墨烯制备科学基础科学中心”学术带头人。荣获国家自然科学奖二等奖（两项）、全国优秀博士学位论文指导教师、北京市优秀教师、香港求是科技基金会杰出青年学者奖、中国分析测试协会科学技术奖一等奖、高等学校科学技术奖自然科学一等奖、杨芙清王阳元院士优秀教学科研奖、中国化学会-阿克苏诺贝尔化学奖、宝钢优秀教师特等奖、日本化学会胶体与界面化学年会Lectureship Award、北京大学方正教师特别奖、ACS Nano Lectureship Award、北京大学国华杰出学者奖、第八届“纳米研究奖”等奖励。他还兼任“物理化学学报”主编、“科学通报”副主编、中国化学会副理事长、中国国际科技促进会副会长、九三学社中央副主席、全国政协常委等。

文章信息

Cheng S, Wang K, Xu S, et al. Co-enhancement of thermal conduction and radiation through morphologies controlling of graphene functional layer for chip thermal management. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6540-6.