【仪表网 研发快讯】随着集成电路功率密度的不断增加，散热问题已成为制约芯片性能、稳定性和寿命的瓶颈。石墨烯因其优异的导热性能(单层石墨烯热导率高达5300 W·m⁻1·K⁻1)被认为是理想的热管理材料，由石墨烯片组装而成的石墨烯膜已在5G通讯终端中获得广泛应用。然而，随着芯片性能的不断提升，现有石墨烯膜已无法满足实际应用对热流承载能力的要求。石墨烯膜的热流承载能力由其热导率和厚度共同决定，如何兼顾高导热与大厚度，特别是处理二者的矛盾关系，是科学研究的重要课题和技术开发的难点所在。
上海微系统所丁古巧研究员、何朋副研究员团队长期致力于石墨烯材料可控制备和器件热管理应用研究，近期在高载热石墨烯膜结构调控和制备领域取得重要研究进展，相关成果发表于《Advanced Science》和《Carbon》。
1. 基于气体逸散通道优化构建的高热载墨烯膜制备策略
在传统石墨烯膜制备技术中，高温过程使GO原料官能团脱除并释放大量气体(如CO、CO2)，气体积累导致薄膜膨胀、结构缺陷增多，严重降低热导率。研究团队提出在GO膜内部预先构建有序扁平孔道，引导高温处理时的气体定向逃逸，减少结构破坏，从而构建高度取向的厚膜结构，实现热导率突破性提升基于该策略及相关参数优化，最终成功制备出厚度超110微米、热导率高达1781 W·m⁻¹·K⁻¹的石墨烯膜，较传统方法性能提升16.2%并在降低芯片热点温度方面表现出极大潜力。该工作有效解决了石墨烯膜在厚度增加时热导率急剧下降的难题，为高功率密度电子设备热管理提供了新方案。相关论文以“Achieving Ultra-High Heat Flux Transfer in Graphene Films via Tunable Gas Escape Channels”为题发表于Advanced Science2025, 12, 2410913.(https://doi.org/10.1002/advs.202410913)，论文第一作者为上海微系统所博士生郑豪龙，通讯作者为何朋副研究员、丁古巧研究员和宁波大学王刚教授。
研究亮点
(1)气体逸散通道的构建：通过氧化石墨烯(GO)膜湿化膨胀结合冷冻干燥技术，在前驱体中预先构建有序的多孔结构，为石墨烯膜热还原过程中产生的气体提供逸散通道。
(2)高度取向石墨烯厚膜结构：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)卓越散热性能：膜厚度110 μm，热导率高达1781 W·m⁻¹·K⁻¹，实现对热流密度2000 W·cm⁻2芯片的高效散热降温。
2. 高载热石墨烯膜的研究进展综述
宏观石墨烯膜具有较高的面内热导率，已成功应用于便携式电子器件的热管理。在过去的几十年里，调控石墨烯膜微观结构并提高面内热导率一直是学术研究的重点。近年来，随着电子器件向高功率和小型化方向发展，载热能力作为反映石墨烯膜实际散热效果的综合性能参数。载热能力由面内热导率和膜厚度两者共同决定，深入了解膜厚度与热导率的复杂关系对于提升载热能力的至关重要。研究团队从结构工程的角度，梳理了厚度、热导率与石墨烯膜载热量之间的关系，系统回顾了高载热石墨烯膜的研究进展，重点探讨了石墨烯膜导热性能的影响因素以及优化策略。揭示了石墨烯膜热导率随厚度下降的机制，从结构优化和性能提升方面指出当前研究面临的挑战，展望了未来在高功率电子热管理中石墨烯膜的发展前景。相关论文以“Thermally conductive graphene-based films for high heat flux dissipation”为题发表于Carbon 2025, 233, 119908(https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119908)，论文第一作者为上海微系统所博士生郑豪龙，通讯作者为何朋副研究员、丁古巧研究员。
研究亮点
(1)提出载热量是评估石墨烯膜综合散热性能的指标参数，更适用于石墨烯膜在高功率密度电子器件实际散热应用中的评价。
(2)系统回顾了近年来分别在提高石墨烯膜热导率和厚度两方面的研究进展，包括膜结构调控的策略和机制。
(3)分析了组装高导热石墨烯厚膜面临的困境，并梳理了兼顾高厚度和高热导率石墨烯膜的制备策略，提出制备高载热石墨烯膜面临的挑战及未来发展方向。
以上工作得到国家自然科学基金(51802337, 11774368, 11804353, 62174093)资金支持。
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