摘要：随着电子设备的小型化和智能化迅速发展，芯片的热通量密度快速攀升。因此，迫切需要高性能的散热材料来将过多的热量从热点扩散出去，并降低芯片的温度。石墨烯薄膜因其优异的平面内热导率、低密度以及高热稳定性和化学稳定性，成为有竞争力的散热材料。与薄石墨烯薄膜相比，厚度达

背景介绍

随着电子设备的小型化和智能化迅速发展，芯片的热通量密度快速攀升。因此，迫切需要高性能的散热材料来将过多的热量从热点扩散出去，并降低芯片的温度。石墨烯薄膜因其优异的平面内热导率、低密度以及高热稳定性和化学稳定性，成为有竞争力的散热材料。与薄石墨烯薄膜相比，厚度达数百微米的高性能石墨烯薄膜具有更高的热传导能力，有望解决严峻的热管理需求。然而，厚石墨烯薄膜的导热系数有限，低于1000W/mK，这限制了其整体热传递。如何生产出高热导率的厚石墨烯薄膜一直是一个长期存在的挑战。

成果掠影

近日，浙江大学刘英军、李鹏、高微微、高超团队提出了一种剪切方法，以精确调节液晶的薄片排列，从而获得厚度为215µm的石墨烯薄膜，其平面内热导率达到创纪录的1380W/mK。水平移动的金属丝阵列产生的5µm的微尺度剪切场可压平片状皱纹，并消除氧化石墨烯液晶的多晶性。均匀的液晶赋予凝结的固体薄膜以高度有序性，从而形成致密平整的叠层石墨晶体。最高热通量（厚度乘以热导率）可达0.3W/K，从而使厚膜具有长距离快速热传播能力和热传导路径的可设计性。这项工作提供了一种有效的方法来调节二维薄片的有序性，并生产出高热流石墨烯薄膜，以解决日益严峻的热管理挑战。研究成果以“Scalable High-Performance Graphene Films Over Hundreds Micrometer Thickness via Sheargraphy”为题发表在《Small》期刊。

图1.通过剪切法制备厚石墨烯薄膜。a) 刮刀涂布法制备氧化石墨烯薄膜的示意图。左侧是对应的偏光光学图像（POM）。右侧是凝聚薄膜的扫描电子显微镜（SEM）图像。b) 通过剪切图制备氧化石墨烯薄膜的示意图。c) 剪切图的数码摄影。d) 剪切场诱导片层水平重取向的速度梯度（v/z）。e) 厚度超过200微米的高质量石墨烯薄膜。f) 用于比较通过剪切图（红线）和刮刀涂布（蓝线）制备的厚石墨烯薄膜的整体导电和机械性能的雷达图。K∥和K⊥分别是石墨烯薄膜的面内和垂直热导率。g) 通过剪切图制备的薄膜与其他文献中报道的技术制备的薄膜的热通量（由厚度乘以热导率确定）比较。

图2.通过剪切图形成固体薄膜的构象演变。a) 微线直径（D）和相邻剪切场间距（S）对石墨烯氧化物液晶（GOLCs）有序性的影响。b) 一个等高线图，指示D和S对GOLCs有序参数的影响。c–f) 通过不同的组装过程，包括随机浇铸、刮刀涂布和剪切图，形成的GOLCs的构象演变及其相应的固体凝聚薄膜。前两行是从宏观到微观的GOLCs的偏光显微镜（POM）图像。第三行是通过冷冻干燥过程制备的不同液晶的扫描电子显微镜（SEM）图像，插图是相应的傅里叶变换衍射图案。最后两行是固体薄膜的表面粗糙度（Ra）和横截面形态。g) 通过三种不同方法制备的固体氧化石墨烯薄膜的X射线衍射图谱。

图3. 较厚石墨烯薄膜的综合性能。a) 通过剪切图（S-GFs）制备的石墨烯薄膜和通过刮刀涂布（B-GFs）制备的石墨烯薄膜的小角X射线散射（SAXS）和广角X射线散射（WAXS）图案。这两种薄膜的厚度均为215微米。b) S-GFs和B-GFs的拉曼光谱。左图是2D带的洛伦兹拟合。右图是2D1和2D2子峰对应的半高宽（FWHM）。c) 不同厚度的S-GFs和B-GFs的面内热导率（K∥）。d) S-GFs与其他石墨薄膜的K∥对比。e) S-GFs和B-GFs的垂直热导率（K⊥）。f) S-GFs和B-GFs的导电性。g) S-GFs和B-GFs的应力-应变曲线。

图4. 用于厚石墨烯薄膜热增强机制的多尺度微观结构分析。a, c) S-GFs和B-GFs的横截面SEM形貌。b, d) 通过X射线显微断层扫描重建的S-GFs和B-GFs的3D孔隙微观结构。蓝色表示孔隙。e) 相应的孔隙体积分布。插图是中间孔体积。f, g) S-GFs和B-GFs的垂直石墨晶粒。从左到右分别是横截面明场TEM、高角度环形暗场扫描TEM和高分辨率TEM。h) 通过剪切图、刮刀涂布和随机浇铸制备的薄膜的相应晶粒带厚度（Lc）和石墨片层厚度分布。i) 通过剪切图在厚石墨烯薄膜内部有序晶体的示意图。

图5. 通过剪切图实现厚石墨烯薄膜的快速散热。a) 厚（215微米）和薄（20微米）S-GFs的热传导和冷传导的顶视红外图像。b) 相应的温度-距离变化图。c) 不同石墨烯薄膜的相应热传导和冷传导距离。d) 蛇形和直线路径的散热能力的红外图像。蛇形路径是通过调整曲率半径（r）从0到0.25获得的。e) 不同路径的相应温度-时间曲线。温度是距加热器边缘相同垂直距离60毫米处的虚线框内的平均值。f) 热管理评估系统示意图。g) LED芯片的表面温度演变。温度是虚线圆圈内的平均值。C-GFs是通过随机浇铸制备的薄膜。h) 从加热到冷却的LED芯片的红外图像结果。

信息来源：洞见热管理

来源：石墨烯联盟