液态金属表面修饰的石墨烯热界面材料拥有超低界面热阻

Ultralow Interfacial Thermal Resistance of Graphene Thermal Interface Materials with Surface Metal LiquefactionWen Dai, Xing-Jie Ren, Qingwei Yan*, Shengding Wang, Mingyang Yang, Le Lv, Junfeng Ying, Lu Chen , Peidi Tao, Liwen Sun, Chen Xue, Jinhong Yu, Chengyi Song, Kazuhito Nishimura, Nan Jiang*, Cheng-Te Lin*Nano-Micro Letters (2023)15: 9
https://doi.org/10.1007/s40820-022-00979-2

开发石墨烯基TIM的一条有效策略是：将石墨烯形成垂直排列的结构，使石墨烯的面内方向与TIM的传热方向一致。然而，目前报道的垂直排列的石墨烯TIM，其实际界面传热效率远远不能令人满意。一个关键因素是TIM和芯片/散热器之间的实际接触面积有限，导致垂直石墨烯和芯片/散热器表面形成的“固-固”界面的接触热阻相对较高（20-30 K mm2 W⁻1）。中国科学院宁波材料工程与技术研究所林正得研究员与合作者通过结合机械定向和表面改性，开发了液体金属改性的垂直排列石墨烯整体（LM-VAGM）。所获得的LM-VAGM具有三层结构，主要由中间垂直排列的石墨烯和上下表面上作为盖层的微米厚液态金属组成。基于合理的结构和表面设计，LM-VAGM表现出176 W m⁻1 K⁻1的超高纵向热导率和4–6 K mm2 W⁻1的低接触热阻。LM-VAGM与最先进的商用TIM之间的实际传热效率的比较表明，我们提出的用于冷却电子设备的TIM具有优异的界面传热效率。这一发现不仅提出了高性能TIM的设计理念，还为垂直排列石墨烯结构的高接触热阻这一常见问题提供了可行的解决方案，大大提高了石墨烯在电子热管理中实际应用的可能性。

图1.  (a-b)VAGM的结构调制概念和制备工艺示意图；(c)石墨烯纸的照相、(d)横断面和(e)全视图扫描电镜图像；(f)褶皱石墨烯纸、HSGM和VAGM的照片，对应的截面和俯视图SEM图像见(g-l)。

II 基于液态金属镓的表面改性

当VAGM制备完成后，进行了基于液态金属镓的表面改性以制备LM-VAGM（图2）。为了解决镓和石墨烯润湿性差的问题，VAGM的上下表面通过电子束蒸发进行预镀钛/金（Ti/Au）的。随后，基于真空热蒸发过程，通过在Ti/Au涂层VAGM表面装饰微米厚的液态镓，可以得到所得的LM-VAGM，如图2b所示的相应结构示意图。LM-VAGM具有2.25 MPa低压缩模量，表现出优异的柔韧性和弯曲性。

图2. 从VAGM到LM-VAGM的制备过程示意图及LM-VAGM的结构特征。(c)照片，(d)表面形貌，(e, f)俯视图VAGM SEM图像；(g)照片，(h)表面形貌，(i, j )LM-VAGM的俯视图SEM图像；(k)LM-VAGM的典型截面SEM图像，对应的单元映射如图l。(m) VAGM和LM-VAGM的压缩应力-应变曲线；(n)获得的LM-VAGM具有良好的弯曲性。

III LM – VAGM的本征导热性能

图3. (a)石墨烯纸的面内导热系数和HSGM、VAGM和LM-VAGM的纵向导热系数(κ⊥)；(b)基于垂直排列结构的LM-VAGM⊥与已报道的导热材料的比较；(c)沿垂直方向的换热能力测试平台，其结果表面温度变化及对应的红外图像分别如图(d)和(e)所示；LM-VAGM的(k – f)环境温度和(g)高低温循环的函数。

我们利用液态金属帽层与芯片/散热器形成了一个“液-固”接触界面，大大增加了有效传热面积，并在封装条件下给出了4-6 K mm2 W⁻1的低接触热阻。

图4. (a)基于改进的ASTM D5470方法的TIM性能测量原理示意图，其中VAGM和LM-VAGM的κ⊥、Rbulk和Rcontact如(b-d)所示，VAGM和LM-VAGM的原始厚度为800 μm；(e )VAGM与散热器粗糙表面接触状态示意图；(f) VAGM/散热器配合界面的模拟温度曲线；(g) VAGM/散热器配合接口散热片上表面温度分布。与散热器接触的LM-VAGM情况相同。

V LM – VAGM在实际工况下的散热性能

图5. TIM性能测量系统的(a)实验设置和(b) 原理图配置；(c)在施加功率为200 w时，热源温度的变化与加热时间的关系；(d, e)热源稳态温度与施加功率的关系；(f)应用TIM的模拟有效热导率和总热阻作为热源温度的函数；(g)使用VAGM、Carbonaut热垫和LM-VAGM作为热界面材料的模拟温度证明；(h)循环加热/冷却试验中以LM-VAGM作为冷却系统热界面材料的热循环稳定性。

林正得
本文通讯作者

中科院宁波材料工程与技术研究所

▍主要研究领域
（1）电子封装热管理材料；（2）生医传感器与医疗器械关键阀控部件。
▍主要研究成果2008年毕业于中国台湾清华大学，取得材料专业博士。2010–2012年于中国台湾中央研究院、2012–2014年于美国麻省理工学院(MIT)担任博士后，2014年6月加入了中科院宁波材料所。加入材料所以来，累计已发表SCI论文两百余篇，文章总引用数超过了15,000次，H指数为59 (Google Citations)，其中以通讯作者发表了ACS Nano、Advanced Functional Materials、Nano-Micro Letters、Biosensors & Bioelectronics等期刊论文。入选了科睿唯安2022年全球“高被引科学家”名单。长期担任一区期刊Biosensors & Bioelectronics副主编。
▍Email：linzhengde@nimte.ac.cn
▍课题组网站：https://www.researchgate.net/profile/Cheng-Te-Lin/research

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2021JCR影响因子为 23.655，学科排名Q1区前5%，中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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