 同濟大學(xué)聲子學(xué)與熱能科學(xué)中心陳杰研究員與瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH) Koumoutsakos教授研究小組合作，提出了一種顯著(zhù)提高石墨烯層間導熱性能的新方法：用sp2共價(jià)鍵(強相互作用)來(lái)代替石墨烯層間范德華力(弱相互作用)，構造無(wú)縫連接的石墨烯-碳納米管混合結構。通過(guò)計算機模擬，該團隊發(fā)現相比于范德華相互作用，共價(jià)鍵連接極大地提高了石墨烯中的晶格振動(dòng)模式(聲子)在垂直方向的傳輸系數，使得該混合結構沿垂直方向的熱導率比相同厚度的多層石墨烯高出2個(gè)數量級，并且該混合結構的熱阻比最先進(jìn)的(the state-of-the-art)導熱界面材料低3個(gè)數量級。因此，該混合結構既能通過(guò)石墨烯提供良好的接觸面，降低接觸熱阻，同時(shí)具有優(yōu)異的垂直方向導熱性能，是理想的導熱界面材料。最后，該團隊還展示了通過(guò)流體將固體混合結構中的熱量移除，提供了一種基于石墨烯-碳納米管混合結構冷卻高溫表面的可行方案?！ ?br />
在過(guò)去的三十年中，微納加工技術(shù)的迅速發(fā)展使得電子器件持續小型化和高度集成化，尺寸更小、運算更快的電子產(chǎn)品不斷被推出，新型電子器件及其應用成為近年來(lái)發(fā)展很快的一個(gè)領(lǐng)域。與此同時(shí)，電子器件的能耗也隨著(zhù)運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熱能耗散在很小的區域，使得能耗密度急劇增長(cháng)。此外，芯片內部能耗分布非常不均勻：局部的能耗密度能達到芯片平均值的五到十倍，形成熱流大且溫度很高的“熱點(diǎn)”(hot spots)，嚴重限制了整體器件的性能和可靠性。因此，納米尺度的熱控制已成為微處理器芯片設計中非常關(guān)鍵的環(huán)節，成為當今研究重點(diǎn)關(guān)注的方向?！ ?br />
石墨烯和碳納米管具有極高的本征熱導率，近年來(lái)在熱控制方面引起了人們的廣泛關(guān)注。研究發(fā)現，由于碳納米管與其他材料的接觸面積太小，使得兩者間的接觸熱阻要遠大于碳納米管的本征熱阻。石墨烯作為二維材料，可以提供較大的接觸面，并且具有優(yōu)異的平面內導熱性能。但是多層石墨烯層間的范德華力導致了較大的層間熱阻，使得其垂直于平面方向(c-axis)的熱導率要比平面內熱導率低超過(guò)2個(gè)數量級，顯示出明顯的各向異性熱傳導。因此，石墨烯的層間熱阻極大地限制了其在導熱界面材料方面的應用?！ ?br />
該項研究得到了中組部“青年千人計劃”、同濟大學(xué)“領(lǐng)航計劃”，ETH研究基金以及歐洲研究委員會(huì )高級研究基金(ERC Advanced Grant)的資助。相關(guān)結果發(fā)表于A(yíng)dvanced Functional Materials (Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 7539-7545)。
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