一种热导率达1004.4W/mK的石墨烯热界面材料

背景介绍

为满足更高的计算和数据处理性能要求，智能手机芯片（SoC）和其他微电子设备通常拥有数百亿个密集集成的晶体管布局和多核设计，高密度的集成电路导致其热流密度显著增加。目前，均热板液冷（VCLC）是解决智能手机散热问题的主流技术，但单一的VCLC技术不足以满足最新的SoC散热需求。将VCLC技术与高导热石墨烯薄膜（GF）相结合以增强传热是解决高热流密度下散热挑战的有效策略。石墨烯薄膜作为一种新兴的高性能热管理材料，由于其独特的蜂窝状晶格结构排列，在二维平面上具有极高的热扩散能力，其本征热导率是传统热管理材料的数倍。此外，石墨烯薄膜还具有重量轻、高度柔韧性和热稳定性等特点。凭借优异的导热性能，石墨烯成为小型电子设备散热的理想材料，高导热石墨烯薄膜的制备也引起了广泛关注。

成果掠影

近日，北京宇航系统工程研究所徐亚伟团队提出了一种结合磁场诱导组装和催化石墨化制备高导热石墨烯基界面材料的方法。团队将Fe₃O₄ 负载到氧化石墨烯 (GO) 上形成磁性氧化石墨烯 (MGO)，并在外部磁场作用下使其排列成有序结构。然后加入葡萄糖作为碳源，在 800°C下进行热还原，以填充MGO薄膜中的缺陷并减少声子散射。使用Fe作为催化剂在1500°C下进行催化石墨化，将非晶碳转化为石墨化碳，进一步减少声子散射。最后，在1800°C下进行第二次石墨化以修复结构缺陷，最终制备出的石墨烯薄膜热导率为1004.4 W/mK，显著高于在相同条件下还原GO获得的石墨烯薄膜（420.2W/mK）。研究成果以“High thermal conductivity graphene-based interfacial materials through oriented assembly and catalytic graphitization for thermal management”为题发表于《Carbon》期刊。

链接 | https://doi.org/10.1016/j.carbon.2025.120081

图文导读

图1.石墨烯复合薄膜的制备过程示意图。

图2.（A）化学水解法制备的Fe₃O₄的磁响应现象；（B、C）5-Fe/GO (MGO) 的XRD图谱；（D）MGO薄膜表面C、O和Fe的EDS元素分析图。

图3.（A）GO自组装示意图；（B）GO薄膜磁场诱导组装示意图；（C）磁场中MGO磁偶极子上的偏转力示意图；（D）GO薄膜的SEM形貌图；（E）MGO薄膜的SEM形貌图；（F）GO薄膜的SEM横截面图；（G）MGO薄膜的SEM横截面图；（H）GO薄膜的自组装和定向组装方位角图；（I）MGO薄膜的磁场诱导定向组装示意图。

图4.（A）5-Fe/GO薄膜；（B）GLC-5-Fe/GF-800薄膜； （C）GLC-5-Fe/GF-1800 薄膜的XPS C1s峰分析；（D）GLC-X-Fe/GF-1800薄膜（X = 1, 3, 5, 10, 15, 20 wt%）的XRD图谱。

图5.（A、B、C）GF薄膜、GLC-GF薄膜、GLC-5-Fe/GF薄膜的SEM横截面图 ；（D、E、F）GF薄膜、GLC-GF薄膜、GLC-5-Fe/GF薄膜的局部放大SEM横截面图；（G、H、I）GF薄膜、GLC-GF薄膜、GLC-5-Fe/GF薄膜的SEM表面形貌图；（J）局部区域表面C、O、Fe的EDS元素分析。

图6.（A）GF、GLC-GF和GLC-5-Fe/GF的拉曼光谱；（B）GF、GLC-GF和GLC-5-Fe/GF的 I_D/I_G；（C）5-Fe/GO、GLC-5-Fe/GF-800和 GLC-5-Fe/GF-1800的拉曼光谱；（D）GLC-X-Fe/GF （X = 1, 3, 5, 10, 15, 20）薄膜的拉曼光谱；（E）GLC-X-Fe/GF薄膜的 I_D/I_G；（F）GLC-X-Fe/GF薄膜的La和G峰FWHM。

图7.（A）GF、GLC-GF和GLC-Fe/GF薄膜的热扩散系数和热导率；（B）GLC-1-Fe/GF、GLC-3-Fe/GF、GLC-5-Fe/GF、GLC-10-Fe/GF、GLC-15-Fe/GF 和 GLC-20-Fe/GF薄膜的热扩散系数和热导率。

图8.（A、B、C）未粘合薄膜、粘合GF、粘合GLC-5-Fe/GF薄膜的LED芯片在100s、200s、400s和880s时的表面温度分布热成像图；（D）LED芯片工作温度随时间变化的曲线。

图9.Fe催化石墨化机制示意图。