來源：2D Materials
00 引言
二維材料是一組具有幾個原子厚度的層狀結構的材料。最具代表性的二維材料是石墨烯，Novoselov等人首次使用Scotch tape對其進行機械剝離。石墨烯由碳原子以六邊形晶格鍵合而成，具有獨特的結構、電學、熱學、力學和化學性能，因此已成為學術界和工業界各種應用的熱門研究領域之一。例如，理論預測石墨烯的電子遷移率為3 × 107 cm2/VS，實驗報道了化學氣相沉積(CVD)生長的石墨烯的電子遷移率為350000cm2/VS，可以滿足高端電子器件的要求。石墨烯極其堅固而又靈活的特性也為許多苛刻的應用帶來了希望，如運動器材，柔性電池，太陽能電池等。隨著石墨烯的興起，其他二維材料在電子領域的潛在應用也引起了人們的極大興趣。
在石墨烯和相關二維材料的獨特特性中，它們的高導熱性顯示出解決電子系統熱管理挑戰的巨大潛力。以石墨烯為例，Balandin等人使用光熱拉曼技術對懸浮石墨烯進行了首次測量(如圖1所示)，結果顯示，在室溫(RT)下，懸浮石墨的導熱系數值大大超過了本體石墨的~2000 W/(mK)。獨立的隨訪測量證實了這一結論。Ruoff等人利用光熱方法在真空和氣體環境中測量了不同尺寸的懸浮單層石墨烯，他們發現在350K附近，其導熱系數范圍為(2.6±0.9)至(3.1±1.0)× 103 W/(mK)。Yoon等人使用改進信噪比的熱顯微鏡測量無殘基石墨烯的導熱系數，得到懸浮石墨烯橋在335-366K下的導熱系數范圍為2430±190至2100±160 W/(mK)。石墨烯有趣的熱性質可以用二維晶格中長波長聲子輸運的特性來解釋。石墨烯中的長波聲子具有異常長的平均自由程，即使熱輸運是擴散的，也受樣品尺寸的限制。后者可以通過注意到三聲子Umklapp散射不足以恢復二維晶格中的熱平衡來解釋，而不像在三維晶格中。這種效應的一個含義是，少量層石墨烯的熱導率與樣品中原子面數的異常依賴
石墨烯優異的熱性能及其柔韌性激發了對其衍生物的廣泛研究，包括氧化石墨烯、石墨烯薄膜、石墨烯纖維、石墨烯泡沫、石墨烯層壓板、石墨烯熱界面材料(TIMs)等，用于熱管理應用。以石墨烯及其衍生物作為填料的各種復合材料已經被開發出來。液相剝離(LPE)石墨烯和少層石墨烯薄片的混合物在導熱膠和導熱相變材料中作為填料表現優異。石墨烯由于其與基體材料良好的熱耦合性和較低的成本，是熱復合材料中比碳納米管(CNTs)更好的填料。由懸浮液中剝離的石墨烯薄片制備的米級石墨烯薄膜具有優異的熱性能，并顯示出作為導熱材料的巨大潛力。
01 熱傳輸基本理論
2.1 石墨烯基散熱器
在電子系統的熱管理中，散熱器起著關鍵作用。它使熱交換組件的表面積比原始表面大得多，因此大大促進了電子系統的散熱和冷卻效果。傳統的散熱器通常由鋁和銅等相當重的金屬制成。石墨烯的二維結構和巨大的表面體積比使其及其相關的二維材料成為理想的散熱材料。
2.1.1 基于單層和多層石墨烯的散熱器
據文獻報道，脫落和懸浮石墨烯的面內導熱系數高達2000-5300 W/(mK)。該數值與碳納米管相當，也高于石墨和金剛石所報道的數值。Balandin等人展示了第一個基于石墨烯的散熱片，該散熱片使用從高取向熱解石墨(HOPG)中機械剝離的幾層石墨烯。石墨烯-石墨層首先被剝離，然后轉移到SiC襯底上，以冷卻高功率GaN晶體管，如圖2所示。結果表明，當晶體管工作在~13 W/mm時，熱點溫度可降低~20°C，熱密度約為250 W/cm2。這表明石墨烯增強結構作為熱點可以將器件的壽命延長一個數量級。
圖2.石墨烯用作AlGaN/GaN場效應管的散熱片。
模擬結果表明石墨烯散熱器的效率取決于器件的結構和幾何形狀。Gao等人使用CVD方法生長單層和多層石墨烯作為散熱器。研究發現，在硅片上熱流密度為430 W/cm2的熱點，單層石墨烯作為散熱片可將熱點冷卻~13℃(從121℃降至108℃)，而多層石墨烯只能將熱點冷卻~8℃。這是由于在鎳箔上生長的石墨烯比在銅箔上生長的石墨烯晶粒尺寸小，這導致了更多的晶界，從而降低了石墨烯材料的熱性能。Bae等人使用Ni表面生長的多層石墨烯作為柔性襯底上的散熱片。結果表明，石墨烯基導熱片比金基導熱片在襯底上的溫度分布更加均勻。Shih等人使用CVD法生長的單層石墨烯來冷卻光子晶體(PhC)腔。實驗結果表明，在100 μ W的光功率下，石墨烯散熱片可以將PhC腔降低45K。Lee等人還將CVD石墨烯應用于冷卻GaAs/InGaAs/InGaP集電極上異質結雙極晶體管，觀察到熱阻降低30%。
表1.GFs材料制備工藝與熱性能的比較。
與機械剝離石墨烯相比，CVD法生長石墨烯的方法越來越成熟，因此CVD石墨烯散熱器表現出更好的工藝可擴展性和兼容性。另一方面，用CVD方法合成的石墨烯在其晶體結構中含有更多的缺陷和晶界(即疇尺寸小得多)，因此與機械剝離的石墨烯相比，其導熱性更低。Lee等人報道，當平均晶粒尺寸分別為4.1、2.2和0.5μm時，懸浮CVD石墨烯的導熱系數分別約為2660、1890和680W/(mK) ，顯示出熱導率與石墨烯晶粒尺寸有明顯的相關性。此外，擬合數據顯示，懸浮單晶石墨烯的導熱系數約為5500 W/(mK)，非常接近機械剝離的石墨烯。
近年來材料合成的進展正在解決CVD生長石墨烯晶體缺陷的局限性。近年來化學氣相沉積石墨烯的研究取得了很大的進展，有報道稱已經制備出了大晶粒至晶圓級的單晶石墨烯。如Lee等人在Ge襯底上成功生長出無褶皺的單晶單層石墨烯，如圖3所示。由于石墨烯與其下的Ge表面之間的相互作用非常弱，實現了石墨烯的無蝕刻干轉移，這使得循環利用Ge襯底來持續生長石墨烯成為可能。這種方法需要復雜的襯底制備，例如，單晶Ge襯底必須在硅襯底上外延生長，然后才能生長石墨烯。最近，大單晶石墨烯的快速生長得到了報道。
圖3.在鍺表面生長的單晶單層石墨烯。
例如，Wu等在CuNi合金襯底上實現了英寸大小的單晶石墨烯的快速生長，在單個成核位點局部引入碳前驅體，2.5h即可生長出1.5英寸大小的石墨烯單層。Lin等人也報道了具有增強光學、電學和熱學性能的超清潔石墨烯的生長。CVD技術的進步推動了石墨烯散熱器的實際應用。然而，CVD石墨烯在工業規模上的處理、工藝兼容性以及單層和少層石墨烯所能傳導的總熱能有限等挑戰仍然是CVD石墨烯在工業上作為散熱器應用之前需要克服的障礙。
2.1.2 石墨烯薄膜散熱器
雖然懸浮石墨烯在室溫下的熱導率非常高，但當石墨烯與襯底接觸時，其面內熱導率顯著降低。例如，由于聲子耦合和散射，在RT下，非晶二氧化硅(SiO2)上負載的單層石墨烯(SLG)的面內導熱系數為~600 W/(mK)。由于上述局限性，石墨烯薄膜(GFs)由化學或熱剝離的石墨烯片組裝而成，成為一種新的散熱材料。
許多不同的裝配工藝已經開發出來，如真空過濾，靜電紡絲，濕紡法，浸涂，噴墨印刷和旋轉涂層。石墨烯或氧化石墨烯(GO)薄片的組裝機制是基于薄片之間不同的物理和化學相互作用，如范德華力和氫鍵。在薄片組裝過程中，單個顆粒可以自發或被動地排列，形成定向良好的層結構。例如，氧化石墨烯懸浮液的蒸發使氧化石墨烯在氣液界面由隨機變為液晶，為形成薄膜結構提供了動力。根據不同的制造方法，已報道的GFs熱性能差異很大。從表1可以看出，大多數制備的石墨烯的面內導熱系數值都在1500 W/(mK)以下，遠低于工業熱解石墨片(PGS)的面內導熱系數值，其最高值為1950 W/(mK)。
GF的導熱性差與原子和微觀結構缺陷密切相關。先前的研究表明，石墨烯中的熱傳導本質上是由sp2鍵合六方碳晶格內的聲子輸運控制的。分子動力學(MD)模擬表明，當氧含量為5%時，石墨烯的導熱性可降低90%。因此，高結晶度和大晶粒尺寸的石墨烯對于實現沿平面方向具有出色導熱性的GFs至關重要。為了優化石墨烯的結晶度，已經報道了不同的方法，包括化學和熱還原來去除材料中的氧氣，用不同的化學還原劑處理GFs。在1300℃的炭化溫度和2200℃的石墨化溫度下的熱退火也有還原的報道。GFs的質量因還原過程的不同而有很大差異。人們普遍認為，2000°C以上的高溫退火可以使石墨烯材料的缺陷愈合并提高結晶度。通過控制石墨化溫度和壓力，可以獲得與PGS相似的導熱系數。盡管高溫退火有許多優點，但在GF退火過程中也存在一些需要解決的問題。例如，氧基團的分解導致CO2或CO氣體的形成，這可以增加層距，甚至形成氣穴(如圖4所示)，從而降低石墨烯薄片在薄膜中的排列。
圖4.GFs的制備工藝。
此外，與PGS的制造相比，GFs的組裝方法為膜結構的設計提供了更大的靈活性。例如，商用PGS的厚度限制在10-100 μm，這給客戶的選擇更少。對于GFs，可以很容易地實現從幾百納米到毫米的不同厚度，這可以滿足從微電子到軍事和空間探索等不同應用的各種要求。此外，隨著薄膜厚度的增加，商用PGS的密度逐漸降低。先前關于聚酰亞胺(PI)熱解過程的研究也報道，在厚PGS(大于25μm)的情況下，由于曲率和層錯配的增加，石墨層織構的取向變得更差。因此，當膜密度達到2.1g/cm3時，工業上制造的PGS厚度通常限制在25μm以內，以獲得取向良好的石墨層織構。與PGS不同的是，GFs是由單個氧化石墨烯薄片預組裝而成的，并且在水平方向上具有更好的取向。因此，厚度的增加不會導致GFs中層錯配的增加。當石墨烯厚度大于25μm時，石墨烯取向良好的石墨烯層結構和高密度使得石墨烯的導熱系數大大高于PGS。
是否可以進一步提高石墨烯薄膜的導熱系數，使其達到更高的值是仍然需要解決的科學問題。理論研究表明，在完美且無缺陷的結構下，石墨烯的導熱系數可以接近10000W/(mK)。通過控制渦層狀態、無缺陷、無皺紋、排列良好的結構以及大晶粒尺寸目前是推動石墨烯薄膜導熱性優化的正確策略。
2.1.2 LPE石墨烯薄膜散熱器
液相剝離（LPE）是對膠帶輔助機械剝離、CVD和升華方法的一種非常重要的補充
懸浮形式的石墨烯。該方法從石墨顆粒開始，允許以低成本大規模生產石墨烯。因此，它具有許多應用前景，包括涂料，復合材料，油墨，纖維，散熱材料等。LPE工藝有兩種類型，一種是純機械剝離，在液體中使用剪切力或名義力，例如通過超聲，克服石墨中的范德華力，直接產生原始的石墨烯薄片。另一種方法涉及剝離過程中的化學反應，即石墨顆粒首先膨脹和氧化，然后剝離以產生氧化石墨烯懸浮液，該懸浮液隨后可被還原生成所謂的還原氧化石墨烯(rGO)。目前報道的大多數LPE工藝都源于 Hummers 方法，并進行了修改，如使用不同的氧化劑和溫度，使生產過程更安全，更環保。與純液體機械剝落法相比，還原氧化石墨烯片制備石墨烯具有橫向尺寸大、分散性好、工業化生產規模大等優點，但石墨烯晶格缺陷較多，石墨烯材料雜質較多。
基于LPE石墨烯的散熱器已經被證明可以冷卻高達1750 W/cm2的熱點。Zhang等人采用真空過濾和滴涂兩種方法從純機械LPE石墨烯懸浮液中制備石墨烯薄膜作為散熱片。測量結果表明，由于石墨烯晶體的缺陷和石墨烯薄片之間巨大的接觸電阻，液滴涂覆石墨烯薄膜的平面內導熱系數約為110 W/(mK)，遠低于膠帶剝落石墨烯薄膜。使用真空過濾石墨烯散熱器和液滴涂覆石墨烯散熱器在熱點處分別檢測到溫度下降6°C和4°C。有限元模擬結果表明，石墨烯薄片在散熱片內的排列方向和石墨烯與芯片表面的熱邊界阻是決定散熱片性能的關鍵參數。
Han等人使用嵌入氧化石墨烯模式也觀察到GaN發光二極管(led)的散熱性能得到改善。首先將氧化石墨烯分散體涂覆在藍寶石襯底上，然后在1100℃下用氫氣熱還原。然后用光刻法對氧化石墨烯進行圖像化，并通過外延生長在其上生長GaN層。在這一步之后，LED結構被制造出來，因此圖案化的氧化石墨烯被嵌入到下面。實驗結果表明，rGO嵌入式LED的芯片表面峰值溫度比常規LED低約5℃，如圖5所示。
圖5.芯片表面紅外圖像。
LPE石墨烯散熱器的熱性能取決于幾個因素。首先，分散劑和其他成分的存在往往會降低薄膜的性能。其次，單個石墨烯片在薄膜中的排列對薄膜的性能起著重要的決定作用。研究表明，通過過濾，高度排列的石墨烯薄膜表現出很強的各向異性熱導率，即面內導熱系數為120W/(mK)，而面外導熱系數為0.5-2W/(mK)。最后但并非最不重要的因素是石墨烯薄片的橫向尺寸。研究表明，導熱系數隨薄片尺寸的增大而線性增加，表明熱傳導主要受薄片邊界的限制。因此，只要氧化石墨烯薄片轉化為高質量的石墨烯，就有可能從氧化石墨烯懸浮液中制備高性能的石墨烯薄膜作為導熱材料。已有多次報道，通過1700℃至3000℃的超高溫退火，可以實現氧化石墨烯的完全還原和石墨烯晶格恢復。先前的一項研究報告稱，溶液處理的氧化石墨烯薄膜經過2850℃退火和機械壓制后，導熱系數達到1400 W/(mK)，這顯示了散熱應用的巨大潛力。
2.2 石墨烯基導熱復合材料
圖7.熱導率增強與填充負載率的關系。
此外，石墨烯復合材料作為散熱材料也顯示出巨大的潛力。傳統的散熱器是由銅或鋁等金屬制成的，帶有翅片以增加其表面積。然而，碳基散熱器因其重量輕、各向異性和高導熱性而受到人們的廣泛關注。石墨作為散熱器材料的歷史由來已久。2003年，Norley等人提出制造各向同性可控的石墨基散熱器。在他們的設計中，平整且定向良好的石墨片被粘合在一起制備成石墨基散熱器。結果表明，該石墨散熱器在水平方向上的導熱系數高于垂直方向。Getz等人基于類似的概念制作了由不同尺寸的石墨片制成的散熱器。近年來，人們對石墨烯及其復合材料的散熱性能進行了研究。Wu等人利用Cu納米顆粒包覆石墨烯片，在50℃下制備了導熱系數高達1912 W/(mK)的復合薄膜。模擬結果表明，石墨烯/Cu復合薄膜比Cu和石墨烯薄膜具有更高效的熱傳遞能力。Wai等人開發了一種簡便的機械解理方法來合成石墨烯納米片和石墨烯納米片/Cu (GN/Cu)復合薄膜。由這種GN/Cu復合薄膜制成的散熱器的導熱系數高達2142 W/(mK)，與石墨烯片散熱器相比增加了26%。Lu等人在鋁散熱器上涂覆了1900nm的石墨烯片，在1.8 W/cm的熱通量下，與未涂覆的散熱器相比，溫度降低了7°C。石墨烯/石墨基散熱器能夠控制不同方向的導熱系數，這為優先傳熱提供了可能。
2.3 石墨烯纖維
與石墨烯薄膜類似，石墨烯纖維是由還原氧化石墨烯片的互鎖層組成的宏觀組裝結構。到目前為止，人們主要研究它們的機械和電氣性能，用于取代碳纖維和在智能紡織品中的應用。然而，它們在熱應用中也有很大的應用前景。氧化石墨烯(GO)纖維可以通過將液晶氧化石墨烯分散體放入混凝劑中通過濕紡來制備。然后將組裝好的氧化石墨烯纖維還原成石墨烯纖維，并可能進行退火。該工藝在氧化石墨烯分散、混凝液體、紡絲設置、還原過程和退火過程中都有過多的參數，這使得石墨烯纖維性能具有非常高的可變性，并且有可能進一步優化性能。濕紡絲制造路線具有高度可擴展性，每個噴嘴的紡絲速度可能達到每小時數公里，這為大規模應用于聚合物基質中的填料或柔性電子或紡織品中的獨立結構提供了可能性。針對這些應用，Li等人展示了一種由熔融石墨烯纖維制成的柔性多孔無紡布，其面內導熱系數為301.5 W/(mK)，密度為0.22 g/cm3，如圖8所示。
圖8.制備的氧化石墨烯纖維織物(GOFFs)和石墨烯纖維織物(GFFs)的濕熔組裝機理和形態。
2.4 石墨烯復合材料
石墨烯層疊板已被證明用于表面保護、海水淡化、氣體不滲透屏障和電磁干擾屏蔽。但是石墨烯層壓板在熱涂層中的應用越來越受歡迎。通常，在石墨烯層壓板中，石墨烯沉積在各種襯底上，包括聚合物(聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET))和金屬(銅，鋁)。在石墨烯層壓板中，石墨烯片通過粘合劑或范德華力結合在一起。到目前為止，已經開發了幾種簡單的石墨烯層壓板制造技術，包括CVD、滴鑄、旋涂、噴涂和浸涂。通過涂覆石墨烯來制造層壓板結構，塑料襯底的導熱系數提高了600倍，銅薄膜的導熱系數提高了24%(圖9)。
圖9.石墨烯層壓板。
2.5 石墨烯復合材料
2.5.1 石墨烯泡沫
石墨烯泡沫由石墨烯組裝成多孔的宏觀泡沫狀結構。泡沫的多孔性使得石墨烯泡沫的有效導熱系數非常低，在固體濃度約為0.45 vol%時，其導熱系數為0.26至1.7 W/(mK)。盡管如此，石墨烯泡沫表現出接近金屬泡沫的導熱性，其孔隙度更高一個數量級。此外，石墨烯泡沫具有非常高的可壓縮性，使其對TIM應用具有吸引力。石墨烯泡沫主要通過石墨烯CVD在Ni泡沫上合成，隨后蝕刻Ni模板，留下獨立的石墨烯結構。通過冷凍鑄造或水熱還原氧化石墨烯懸浮液也可以形成類似的結構。作為獨立結構，石墨烯泡沫和石墨烯/碳納米管氣凝膠已被證明可用于TIM應用，壓縮石墨烯泡沫的導熱系數約為88 W/(mK)(圖12)，并且在非常低的壓力下具有低熱界面阻力[179]。使用h-BN也證明了類似的結構，壓縮h-BN泡沫的平面導熱系數高達62 W/(mK)。石墨烯和h-BN泡沫都可以滲透形成聚合物復合材料。等人創建了垂直排列的石墨烯泡沫環氧復合材料，在石墨烯負載分數為19 vol%時，其通平面導熱系數為35.5 W/(mK)，顯著高于隨機分散的石墨烯增強復合材料。最近，Zhamu等人通過無化學物質的方法合成了一種高彈性和彈性的石墨烯泡沫。這種石墨烯-碳混合泡沫顯示出作為散熱器的超級有效的潛在應用
圖9.石墨烯泡沫。
2.5.2 定向排列的石墨烯片
石墨烯片具有優異的面內導熱性，但由于其低的通面導熱性，通常局限于熱擴散應用。一種潛在的解決方案是將多個石墨烯片堆疊成塊狀材料，可用于TIM和其他熱應用。Liang等人引入了這一概念，創造了一種通平面導熱系數為112 W/(mK)的材料。將石墨烯薄膜與焊料或聚合物堆疊并粘合在一起，然后垂直于導熱軸切割成薄片，適用于TIM。Zhang等人和Wang等人進一步改進和優化了這一概念，導熱系數分別為615 W/(mK)和1379 W/(mK)。與傳統TIM相比具有優異的導熱系數，其導電性甚至高于散熱器材料，從而消除了具有厚粘合線的TIM的缺點。相反，TIM和連接表面之間的熱接觸熱阻是限制因素，而不是熱導率。事實上，正如Wang等人所看到的，整體性能主要取決于觸點，通過與薄銦層的結合，其性能可以與薄焊點相媲美，同時保持良好的柔韌性和厚度，這對于填補間隙的應用至關重要。
03 未來的潛在應用