[发明专利]一种用于导热的大鳞片石墨烯/金属异质结复合薄膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种用于导热的大鳞片石墨烯/金属异质结复合薄膜及其制备方法。大鳞片石墨烯/金属异质结复合薄膜采用大鳞片石墨烯膜作为基底，然后在大鳞片石墨烯膜表面复合一层金属。利用大鳞片石墨烯膜表面的褶皱和颗粒状的气泡，将大鳞片石墨烯膜与金属颗粒紧密地锚定在一起，有利于电子和热量的快速传递。所制备的大鳞片石墨烯/金属异质结复合薄膜厚度为7～101μm。与传统的石墨烯薄膜导热材料相比，具有更高的导热性能和电导率：热导率为1351～2024W m^‑1K^‑1，电导率为5.00(±0.27)×10⁶～5.88(±0.29)×10⁶S m^‑1。另外，大鳞片石墨烯/金属异质结复合薄膜质轻柔韧，厚度可以控制，可规模化生产，应用领域广泛。

技术领域

本发明涉及一种用于导热的大鳞片石墨烯/金属异质结复合薄膜及其制备方法，属于新型材料制备领域。

背景技术

随着电子技术和通信技术的飞跃发展，商用便携式电子产品，如平板电脑、智能手机等以及发光二极管(LED)灯得到了越来越广泛的应用。然而晶体管和其它集成电路器件尺寸不断减小，计算能力的提高是以增加器件和芯片的功率损耗为代价的。现代芯片结构的功耗在芯片表面极不均匀，局部功能区的功率密度可以达到平均值的5～10倍。在电子器件中，整体可靠性取决于芯片局部区域的最高温度，而不是芯片的平均温度。如果没有实现所需的冷却，芯片最热的区域将高于其指定的温度阈值，从而降低其性能和可靠性。因此，要尽可能使这些最高温的局部区域的影响最小化，无论是单个晶体管器件还是芯片和封装整体，都需要加强有效的散热能力。新兴材料的热性能对提升下一代电子设备“热管理”特性尤为关键。另外，随着科技和工艺的发展，各种便携式电子产品(如智能手机，平板电脑等)的厚度越做越薄，对散热材料的厚度也提出了新的要求。

目前市面上存在的石墨散热膜主要起导热作用，将手机等设备内部发热元件的热量进行均衡。设备的芯片上都会贴上金属屏蔽罩，同时起散热作用，而芯片上有的部位发热大，有的部位发热小，如果依靠导热效果很差的空气传导，就会使一些部位温度急剧上升，而石墨散热膜的作用就是将温度高的散热片热量快速传递到温度低的散热片上，使设备不会出现局部高温。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面结构，单原子层厚度的二维材料，具有十分优异的强度、柔韧、导电、导热特性，引起了研究者们的广泛关注^[1-4]。就热导率K而言，目前已经制备出的石墨烯-铜-石墨烯异质薄膜(K＝376.4W m^-1K^-1)^[5]，柔性石墨(K＝137W m^-1K^-1)，聚酰亚胺石墨化碳膜(K＝743W m^-1K^-1)，石墨纸(K＝318W m^-1K^-1)^[6]，展现了石墨烯材料的导热性能的不断提升。

石墨烯是依靠声子传递热量的，声子是晶格振动的量子化形式。而石墨烯垂直于平面的热传导率由于声子受到边界散射的影响，会随着石墨烯层数增加而降低。当两个晶体有边界不对齐时，热传递数值仅为1/10。因此，如果能够在保证横向(平面)导热性能优异的同时，较大地提升纵向导热性能，那么膜的整体导热性能就可以得到大幅度提高。

市面上存在将铜与石墨烯膜复合在一起的导热材料，都是通过双面胶等材料将铜箔和石墨烯膜贴合，大大增加了界面热阻。另外，目前已经报道的石墨烯膜的厚度很多都超过了35μm^[7]，有的甚至达到了1～2mm^[8]。对于电导率，目前报道的石墨烯膜最高达到了1.06×10⁶S m^-1[9-14](图1)。