【儀表網 研發快訊】隨著集成電路功率密度的不斷增加，散熱問題已成為制約芯片性能、穩定性和壽命的瓶頸。石墨烯因其優異的導熱性能(單層石墨烯熱導率高達5300 W·m?1·K?1)被認為是理想的熱管理材料，由石墨烯片組裝而成的石墨烯膜已在5G通訊終端中獲得廣泛應用。然而，隨著芯片性能的不斷提升，現有石墨烯膜已無法滿足實際應用對熱流承載能力的要求。石墨烯膜的熱流承載能力由其熱導率和厚度共同決定，如何兼顧高導熱與大厚度，特別是處理二者的矛盾關系，是科學研究的重要課題和技術開發的難點所在。
 

　　上海微系統所丁古巧研究員、何朋副研究員團隊長期致力于石墨烯材料可控制備和器件熱管理應用研究，近期在高載熱石墨烯膜結構調控和制備領域取得重要研究進展，相關成果發表于《Advanced Science》和《Carbon》。
 

　　1. 基于氣體逸散通道優化構建的高熱載墨烯膜制備策略
 

　　在傳統石墨烯膜制備技術中，高溫過程使GO原料官能團脫除并釋放大量氣體(如CO、CO2)，氣體積累導致薄膜膨脹、結構缺陷增多，嚴重降低熱導率。研究團隊提出在GO膜內部預先構建有序扁平孔道，引導高溫處理時的氣體定向逃逸，減少結構破壞，從而構建高度取向的厚膜結構，實現熱導率突破性提升基于該策略及相關參數優化，最終成功制備出厚度超110微米、熱導率高達1781 W·m?¹·K?¹的石墨烯膜，較傳統方法性能提升16.2%并在降低芯片熱點溫度方面表現出極大潛力。該工作有效解決了石墨烯膜在厚度增加時熱導率急劇下降的難題，為高功率密度電子設備熱管理提供了新方案。相關論文以“Achieving Ultra-High Heat Flux Transfer in Graphene Films via Tunable Gas Escape Channels”為題發表于Advanced Science2025, 12, 2410913.(https://doi.org/10.1002/advs.202410913)，論文第一作者為上海微系統所博士生鄭豪龍，通訊作者為何朋副研究員、丁古巧研究員和寧波大學王剛教授。
 

        研究亮點

 

　　(1)氣體逸散通道的構建：通過氧化石墨烯(GO)膜濕化膨脹結合冷凍干燥技術，在前驅體中預先構建有序的多孔結構，為石墨烯膜熱還原過程中產生的氣體提供逸散通道。
 

　　(2)高度取向石墨烯厚膜結構：低缺陷密度(ID/IG=0.012)、高取向(f =0.959)和大晶粒尺寸(Lc=44.5 nm)。
 

　　(3)卓越散熱性能：膜厚度110 μm，熱導率高達1781 W·m?¹·K?¹，實現對熱流密度2000 W·cm?2芯片的高效散熱降溫。
 

　　2. 高載熱石墨烯膜的研究進展綜述
 

　　宏觀石墨烯膜具有較高的面內熱導率，已成功應用于便攜式電子器件的熱管理。在過去的幾十年里，調控石墨烯膜微觀結構并提高面內熱導率一直是學術研究的重點。近年來，隨著電子器件向高功率和小型化方向發展，載熱能力作為反映石墨烯膜實際散熱效果的綜合性能參數。載熱能力由面內熱導率和膜厚度兩者共同決定，深入了解膜厚度與熱導率的復雜關系對于提升載熱能力的至關重要。研究團隊從結構工程的角度，梳理了厚度、熱導率與石墨烯膜載熱量之間的關系，系統回顧了高載熱石墨烯膜的研究進展，重點探討了石墨烯膜導熱性能的影響因素以及優化策略。揭示了石墨烯膜熱導率隨厚度下降的機制，從結構優化和性能提升方面指出當前研究面臨的挑戰，展望了未來在高功率電子熱管理中石墨烯膜的發展前景。相關論文以“Thermally conductive graphene-based films for high heat flux dissipation”為題發表于Carbon 2025, 233, 119908(https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119908)，論文第一作者為上海微系統所博士生鄭豪龍，通訊作者為何朋副研究員、丁古巧研究員。
 

         研究亮點

 

　　(1)提出載熱量是評估石墨烯膜綜合散熱性能的指標參數，更適用于石墨烯膜在高功率密度電子器件實際散熱應用中的評價。
 

　　(2)系統回顧了近年來分別在提高石墨烯膜熱導率和厚度兩方面的研究進展，包括膜結構調控的策略和機制。
 

　　(3)分析了組裝高導熱石墨烯厚膜面臨的困境，并梳理了兼顧高厚度和高熱導率石墨烯膜的制備策略，提出制備高載熱石墨烯膜面臨的挑戰及未來發展方向。
 

　　以上工作得到國家自然科學基金(51802337, 11774368, 11804353, 62174093)資金支持。