為了延續(xù)摩爾定律，晶體管生產(chǎn)工藝已精細(xì)到 5 nm，每平方厘米半導(dǎo)體芯片內(nèi)可集成數(shù)十億個(gè)晶體管。
2020年10月14日，蘋果最新發(fā)布會(huì)上，iPhone12正式問(wèn)世。據(jù)介紹，iPhone12手機(jī)采用5 nm制程的A14芯片，可集成11.8億個(gè)晶體管。6核CPU和4核GPU設(shè)計(jì)，神經(jīng)引擎達(dá)到16核，每秒可進(jìn)行11萬(wàn)億次運(yùn)算。
隨著電子元器件和集成電路體積越來(lái)越小，工作頻率越來(lái)越高，工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱；若熱量不能及時(shí)傳導(dǎo)出去，器件的溫度將會(huì)急劇升高，進(jìn)而影響設(shè)備的工作效率和使用壽命。
傳統(tǒng)散熱材料主要有金屬、金屬氧化物和其它非金屬材料，但由于其自身的局限性（如價(jià)格昂貴、加工成型復(fù)雜、導(dǎo)熱率較低等），無(wú)法滿足現(xiàn)代電子工業(yè)的需求。
石墨烯是一層碳原子以sp2雜化軌道組成的二維納米材料，理論熱導(dǎo)率可達(dá)3000-5000W/m·K，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)導(dǎo)熱材料。此外，基于石墨烯的薄膜材料具有制備工藝簡(jiǎn)單、柔韌性好等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種最有前途的電子熱擴(kuò)散材料，引起了國(guó)內(nèi)外科研工作者的廣泛關(guān)注。
基于此，重慶大學(xué)航空航天學(xué)院黃培博士、付紹云教授等聯(lián)合曼徹斯特大學(xué)諾獎(jiǎng)獲得者Kostya S. Novoselov教授以“Graphene Film for Thermal Management: A Review”為題，綜述了基于氧化石墨烯制備柔性石墨烯導(dǎo)熱薄膜的最新進(jìn)展，該綜述主要圍繞石墨烯薄膜的制備、性能以及應(yīng)用和展望展開(kāi)。
1. 石墨烯薄膜的制備
雖然石墨烯具有超高的理論熱導(dǎo)率，但在實(shí)際應(yīng)用中，往往會(huì)有所限制，這主要是因?yàn)椋?/span>
1）其導(dǎo)熱性能受其固有結(jié)構(gòu)（如雜質(zhì)、含氧基團(tuán)、空位、尺寸等）的影響；
2）當(dāng)石墨烯堆疊成薄膜時(shí)，石墨烯片層的不規(guī)則堆疊、層間相互作用等也會(huì)顯著降低其熱導(dǎo)率。
因此，制備石墨烯導(dǎo)熱薄膜的步驟主要包括氧化石墨烯成膜、缺陷修復(fù)和機(jī)械壓縮處理。
A. 氧化石墨烯成膜
石墨烯的面內(nèi)熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于厚度方向，因此，石墨烯的取向度和規(guī)整度極大的影響石墨烯薄膜的熱導(dǎo)率。目前常用的方法包括：電噴涂、真空抽濾、浸涂法、旋涂法、滴落涂布法、電泳法等。
B. 缺陷修復(fù)
氧化石墨烯在制備和成膜過(guò)程中會(huì)引入大量的缺陷（如空位、含氧基團(tuán)等），導(dǎo)致其熱導(dǎo)率急劇下降，因此需要通過(guò)缺陷修復(fù)，提高石墨烯的結(jié)構(gòu)完整性。
缺陷修復(fù)方法主要有：化學(xué)還原、電化學(xué)還原、熱處理和光熱法等。相較其它方法，熱處理可以極大提高C/O比，且在高溫下可修復(fù)石墨烯中的空位，但其存在制備時(shí)間長(zhǎng)、能耗較高等缺點(diǎn)。
C. 機(jī)械壓縮
石墨烯薄膜在缺陷修復(fù)過(guò)程中，C、H等原子會(huì)以氣體形式釋放，產(chǎn)生大量的孔隙，形成蓬松的結(jié)構(gòu)。通過(guò)機(jī)械壓縮可以減少石墨烯薄膜的間隙，提高石墨烯薄膜的密實(shí)度。
2. 石墨烯薄膜的性能
A. 導(dǎo)熱性能
石墨烯薄膜的面內(nèi)熱導(dǎo)率主要受C/O比、石墨烯尺寸、密實(shí)度等因素影響；因此采用高效的缺陷修復(fù)方法，提高石墨烯尺寸和薄膜的密度可以提高石墨烯薄膜的面內(nèi)熱導(dǎo)率。
值得注意的是，由于石墨烯薄膜層間作用力很弱，其厚度方向的熱導(dǎo)率極低，目前的方法主要是通過(guò)增強(qiáng)石墨烯層間相互作用或構(gòu)建導(dǎo)熱骨架來(lái)改善。
B. 力學(xué)性能
氧化石墨烯薄膜在缺陷修復(fù)過(guò)程中，含氧等基團(tuán)被除去，降低了石墨烯層間作用力和薄膜的密度，因此制得的石墨烯薄膜力學(xué)降低。通過(guò)提高石墨烯薄膜的密實(shí)度，增大石墨烯的尺寸，構(gòu)建層間交聯(lián)和褶皺結(jié)構(gòu)等方法，可以提高石墨烯的拉伸強(qiáng)度和模量。
3. 石墨烯薄膜的應(yīng)用和展望
由于石墨烯薄膜的導(dǎo)熱率高達(dá)600-3200 W/m·K，其在晶體管、集成電路、智能窗戶等領(lǐng)域有非常巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。但目前石墨烯薄膜還存在規(guī)模制備困難、厚度方向熱導(dǎo)率低以及石墨烯薄膜和器件的接觸熱阻等問(wèn)題，還需要投入更多的科研精力去研究和克服。
參考文獻(xiàn)
Pei Huang, Yao Li, Gang Yang, Zheng-Xin Li, Yuan-Qing Li, Ning Hu, Shao-Yun Fu, Kostya S. Novoselov, Graphene film for thermal management: A review, Nano Materials Science, 2020.
DOI：10.1016/j.nanoms.2020.09.001
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589965120300520
關(guān)于石墨烯，Nano Materials Science期刊將在Graphene and 2D Alternative Materials專輯中繼續(xù)報(bào)道Kostya S. Novoselov教授的一些進(jìn)展。同時(shí)也包括其他一些二維材料的研究報(bào)道。敬請(qǐng)關(guān)注！
Invited Papers:
Recent Advances in Graphene and 2D Alternative Materials
Prof. Dr. Kostya S. Novoselov (2010 Nobel Prize winners in physics), National University of Singapore, Singapore; University of Manchester, UK; Chongqing 2D Materials Institute, China
Dr. Pablo Ares, University of Manchester, UK
The effect of rippling on the mechanical properties of graphene
Prof. Dr. Julio Gómez-Herrero, Dr. Cristina Gómez-Navarro, Dr. Guillermo López-Polín, Universidad Autónoma de Madrid, Spain
Emerging properties of amorphous phases of graphene and boron-nitride materials
Prof. Dr. Stephan Roche, ICN2 Barcelona, Spain
Two-dimensional superconductors: future applications and nanofabrication challenges
Dr. Ekaterina Khestanova, ITMO University, Russia
Electrostatic interactions in twisted bilayer graphene and related materials
Prof. Dr. Francisco Guinea, Dr. Tommaso Cea, Dr. Pierre Pantaleón, IMDEA Nanociencia, SpainProf. Dr. Niels Walet, University of Manchester, UK
Biaxial strain tuning on single-layer MoS2
Dr. Andrés Castellanos-Gómez, ICMM CSIC Madrid, Spain
Room Temperature Synthesis of Two-Dimensional Multilayer Magnets based on α-CoII Layered Hydroxides
Dr. Gonzalo Abellan, Friedrich-Alexander-University of Erlangen-Nürnberg, Germany; Universidad de Valencia, Spain
First principles study of field effect device through van der Waals and lateral heterostructures of graphene, phosphorene and graphene
Prof. Dr. Gianaurelio Cunniberti, Technische Universit ?at Dresden, Germany
客座編委
Prof. Dr. Félix Zamora , Universidad Autónoma de Madrid, Spain, E-mail: felix.zamora@uam.es
Dr. Pablo Ares , Universidad Autónoma de Madrid, Spain, E-mail: pableras.ares@gmail.com
Nano Materials Science，2019年3月創(chuàng)刊，由重慶大學(xué)主辦，香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士任主編，全球21個(gè)國(guó)家132名知名學(xué)者任編委。NMS已正式出版8期，篇均被引7.5次，被66個(gè)國(guó)家及地區(qū)、277個(gè)SCIE期刊引用報(bào)道，已被DOAJ、INSPEC等收錄，獲得重慶市出版專項(xiàng)資金資助，獲評(píng)為中國(guó)高校優(yōu)秀科技期刊、重慶市一級(jí)期刊、重慶市高校期刊學(xué)術(shù)名刊、科愛(ài)公司期刊新銳獎(jiǎng)。
期刊官網(wǎng)：
http://www.keaipublishing.com/en/journals/nano-materials-science/
