石墨烯基复合热界面材料导热性能研究

随着微纳电子器件热功率密度的迅速增长，控制其温度已成为电子信息产业发展和应用的迫切需求。热界面材料的选择是热控技术的关键问题之一，开发高性能石墨烯基复合热界面材料已成为科学和工业界研究热点。其存在的关键问题是从原子尺度深刻理解复合体系中声子输运机理，进而协同提升石墨烯有效热导 率和界面热导。本文从石墨烯自身声子耦合热阻和界面热阻两方面综述石墨烯复 合体系导热的研究进展，讨论了提升石墨烯基复合体系界面热导的两种机制，同时分析了渐变界面和非平衡声子对界面热输运的调控机理。最后，我们对复合体系导热性能研究的发展趋势进行总结和展望。

01 引言

随着新兴的 5G 通信、物联网、新能源汽车电子、可穿戴设备、智慧城市、 航空航天等科技的兴起，芯片等器件朝着小型化、高功率密度、多功能化等方向发展。高度集成化和先进封装技术有效地提高了芯片功率密度并缩小了散热空间， 致使热流分布不均匀和局部过热等散热问题成为制约高性能芯片开发的核心问题之一。据统计，电子器件的温度每升高 10℃-15℃，芯片使用寿命将会降低 50%。由此可见，控制电子器件的温度已成为电子产业发展的迫切需求。

热界面材料广泛被用于集成电路封装和器件散热，通过填充电子芯片与散 热器接触表面的微空隙及表面凹凸不平的孔洞来减少散热热阻。制约散热的热阻（RTIM）由两部分组成（图 1）：热界面材料自身的热阻（Rc）和封装外壳与热界 面材料的界面热阻（Rint）。目前商用的热界面材料，其界面热阻 Rint（10-7~10-6 ｍ2·KW-1），远小于自身的 Rc（10-6~10-5 ｍ2·KW-1）。因此，热界面材料是电子器件热管理系统的重要组成部分，对提高散热效率和控制电子器件温度至关重要。

高功率密度集成电路散热示意图和热界面示意图

聚合物基复合材料具有良好的热机械性能，且质量轻、韧性好、低成本和易加工等特性。因此其全球市场份额占到热界面材料的 90%以上。聚合物基复合材料是聚合物基体和高导热填料组成的复合体系。二维纳米材料热导率远大于传统的填料，例如石墨烯热导率高达 2000~3000 Wｍ-1K-1（铜的 7~10 倍），且具有高比表面积和高机械强度等优异的性质，是极具应用前景的填料。因此，开发高性能石墨烯基复合体系的热界面材料已成为研究热点。

石墨烯基复合体系热界面材料的导热性能取决于石墨烯有效热导率和石墨烯/基体界面热导。石墨烯基复合体系中声子输运分为两个通道：（1）基体→石墨 烯的面外声子→石墨烯的面内声子-基体；（2）基体→石墨烯的面外声子 →基体。分子模拟结果发现，第一种声子输运通道的热阻比第二种通道高 30 倍。

对比发现石墨烯“面内声子-面外声子”的非平衡声子输运对石墨烯有效热导率的发挥具有重要作用。从实验测量、理论分析及数值模拟方面均已证明了纳米尺度低维材料不同模式声子存在非平衡现象且对其热输运有重要影响。此外，石墨烯与基体之间的化学结构、机械性能、物理性质等诸多差异，使得石墨烯基复合体系中存在大量的界面结构，而界面是影响热输运的主要因素之一。这使得纳米尺度界面热输运成为石墨烯基复合体系热传导的核心问题。为了提高石墨烯基复合体系的热传导特性，本文将从石墨烯内非平衡声子和复合体系中界面非平衡声子两个方面讨论复合体系中石墨烯与基体的声子耦合热阻。

石墨烯基复合体系中石墨烯面内振动

02 石墨烯非平衡的内热阻

纳米尺度悬空石墨烯的非平衡声子输运引起科学界的关注。我们通过原子尺度模拟在石墨烯中发现，同一空间位置、沿不同方向振动的声子之间会出现不同 温度，即声子双温度现象。这种现象源于不同模式之间较弱的耦合，往往在纳米低维结构中比较明显。而在体块结构中强耦合使得很难发现这种非平衡现象。石墨烯内部出现的声子弱耦合，使得热在不同模式间传输会遇到阻碍。对于不同模式具有温差的系统，此类不同模式之间热输运存在热阻表现更为明显。也就是我们需要考虑的内热阻问题，定义为：

式中 J12 和 ΔT12 分别是模式 1 到 2 的热流和二者温差。通过建立声子间弱耦合解析 5 模型，可以定量描述和分析声子耦合强度的物理参数：耦合因子和耦合长度。耦合因子越小、耦合长度越长，对应着内热阻越大。

此后，美国普渡大学阮修林和清华大学曹炳阳等，通过模拟提取了石墨烯的不同模式声子温度，进一步从理论上研究不同模式声子非平衡态问题。上海交通大学鲍华与普渡大学阮修林等计算发现，当忽略石墨烯内非平衡声子输运，基于激光辐照测量得到的悬空石墨烯热导率将被低估 1.4-2.6 倍。此外研究者还发现在基于石墨烯的异质结中也存在非平衡声子输运 现象，例如：石墨烯/氮化硼、石墨烯/硅等异质结。因此，石墨烯内声子非平衡现象严重影响其有效热导率和实验表征的准确性。

03 复合体系界面热阻

提高石墨烯基热界面材料导热性能，除了上述内热组问题，还需考虑石墨烯/基体的界面热输运。石墨烯基复合体系热导提高不显著，主要源于在石墨烯和基体之间的界面影响声子输运，并产生较大界面热阻。大界面热阻的原因是多方面原因造成的。石墨烯和基体之间的作用力通常比较弱，远小于共价键。石墨烯和基体之间存在纳米尺度的空隙，空隙两段的原子之间几乎没有力的作用，空隙同时降低了两种材料的接触面积和作用力。即使完美接触的位置，由于两种材料本征热输运性质的差异和声子本征模式不匹配也会造成热阻。因此，提高复合体系界面热导研究可归纳为增强界面处原子间相互作用力和提升界面处两材料的 声子态密度匹配两个方面。