微观孔洞对石墨烯厚膜热扩散系数有何影响

热管理在人工智能、云技术和最先进的微电子领域中引起了越来越多的关注。然而，高功率密度使得芯片、电路或印刷电路板中的热量累积变得更加严重，致使器件性能和稳定性下降，甚至造成电子设备永久损失、寿命降低。

单层石墨烯作为一种典型的二维材料，表现出5000 W·m⁻¹ ·K⁻¹ 的面内热导率，这是已知材料中最高的。此外，石墨烯具有的高强度、高柔韧性和低密度等优良属性，使其成为不同场景下热管理的理想候选材料。因此，具有高热导率和一定厚度的石墨烯可以高效地传导热量，使设备保持在安全的温度范围内。这种情况下，石墨烯厚膜有望成为微电子等领域中热管理的最佳解决方案。

目前常见的商业技术是基于氧化石墨烯(GO)的组装和还原，由于其成本低、产量高，相较于机械剥离、外延生长和化学气相沉积(CVD)更受欢迎。为了制备石墨烯厚膜，GO需要经过热还原和石墨化处理。其中，GO的还原会在膜内引入大量孔隙，导致密度下降，低至约0.3 g·cm⁻³ ，远远低于单晶石墨的密度 (2.26 g·cm⁻³ ) 。由于热导率与密度正相关，密度降低会显著降低热导率。先前的研究主要集中在通过压延技术提高密度，从而提高热导率。但与此同时，由于石墨烯周围的孔洞受到压缩，之后并未完全消失，而是进行了结构转化，形成新的孔洞。这些问题使得基于GO的石墨烯膜的制备方面即使得到了优化，但当其厚度大于 100μm 时，热导率依旧低于 1500 W·m⁻¹ ·K⁻¹ ，这与高定向热解石墨(HOPG)相比仍存在一定差距。

研究人员对影响热扩散系数的因素进行研究，阐明微观孔洞对热扩散系数的影响及其作用机制，得出结论：密集小孔洞结构可使热扩散系数降低39.4%，而同等面积的单一大孔洞结构对热扩散系数的降低仅约16.1%。通过三维重构获得的统计结论也与计算结果完全匹配。其内在机制是密集小孔洞结构的存在对原有传热路径的破坏更为严重，而单一大孔洞结构的这一作用则相对较弱，只是降低了整体密度从而降低热导率。