中國粉體網訊 同濟大學聲子學與熱能科學中心陳杰研究員與瑞士蘇黎世聯邦理工學院(ETH) Koumoutsakos教授研究小組合作，提出了一種顯著提高石墨烯層間導熱性能的新方法：用sp2共價鍵（強相互作用）來代替石墨烯層間范德華力（弱相互作用），構造無縫連接的石墨烯-碳納米管混合結構。通過計算機模擬，該團隊發現相比于范德華相互作用，共價鍵連接極大地提高了石墨烯中的晶格振動模式（聲子）在垂直方向的傳輸系數，使得該混合結構沿垂直方向的熱導率比相同厚度的多層石墨烯高出2個數量級，并且該混合結構的熱阻比最先進的（the state-of-the-art）導熱界面材料低3個數量級。因此，該混合結構既能通過石墨烯提供良好的接觸面，降低接觸熱阻，同時具有優異的垂直方向導熱性能，是理想的導熱界面材料。最后，該團隊還展示了通過流體將固體混合結構中的熱量移除，提供了一種基于石墨烯-碳納米管混合結構冷卻高溫表面的可行方案。
在過去的三十年中，微納加工技術的迅速發展使得電子器件持續小型化和高度集成化，尺寸更小、運算更快的電子產品不斷被推出，新型電子器件及其應用成為近年來發展很快的一個領域。與此同時，電子器件的能耗也隨著運算速度的提高而迅速增加，器件的小型化和集成化更使得大量的熱能耗散在很小的區域，使得能耗密度急劇增長。此外，芯片內部能耗分布非常不均勻：局部的能耗密度能達到芯片平均值的五到十倍，形成熱流大且溫度很高的“熱點”(hot spots)，嚴重限制了整體器件的性能和可靠性。因此，納米尺度的熱控制已成為微處理器芯片設計中非常關鍵的環節，成為當今研究重點關注的方向。
石墨烯和碳納米管具有極高的本征熱導率，近年來在熱控制方面引起了人們的廣泛關注。研究發現，由于碳納米管與其他材料的接觸面積太小，使得兩者間的接觸熱阻要遠大于碳納米管的本征熱阻。石墨烯作為二維材料，可以提供較大的接觸面，并且具有優異的平面內導熱性能。但是多層石墨烯層間的范德華力導致了較大的層間熱阻，使得其垂直于平面方向（c-axis）的熱導率要比平面內熱導率低超過2個數量級，顯示出明顯的各向異性熱傳導。因此，石墨烯的層間熱阻極大地限制了其在導熱界面材料方面的應用。
該項研究得到了中組部“青年****”、同濟大學“領航計劃”，ETH研究基金以及歐洲研究委員會高級研究基金(ERC Advanced Grant)的資助。相關結果發表于Advanced Functional Materials (Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 7539-7545)。Materials Views網站在線報道了這項工作。
