铜夹层实现石墨烯基复合材料高效热传输新突破

《Cell Reports Physical Science》：High-efficiency thermal transport in graphene-based composites via a copper interlayer

随着电子设备功率密度不断提升，传统金属散热材料已难以满足高效热管理需求。本研究通过铜夹层设计开发了双堆叠石墨烯-铜（BS-Gr/Cu）层状复合材料，成功将面内热导率提升至465 W·m-1·K-1，较纯铜薄膜提高61%。分子动力学模拟揭示铜夹层通过减少声子散射和激发低频声子增强热传导，为二维材料热管理解决方案优化提供新思路。

　　

随着电子设备朝着小型化、高功率密度方向飞速发展，芯片热管理已成为制约技术进步的瓶颈问题。据行业数据显示，设备可靠性对工作温度呈现指数级依赖——仅10°C-15°C的温度升高就可能导致设备寿命缩短50%。传统金属散热材料如铜（Cu）和铝（Al）虽然具有优良的热导率，但面对下一代电子器件的极端热流密度已显得力不从心。

在这一背景下，石墨烯因其卓越的面内热导率（理论上超过5,000 W·m^-1·K^-1）成为热管理材料研究的热点。然而在实际应用中，石墨烯与基底接触时会产生严重声子散射，导致其热导率大幅下降。更令人困扰的是，随着石墨烯层数增加，面内热导率会出现显著降低：当层数达到4层时，热导率降至约1,300 W·m^-1·K^-1，接近普通块体石墨的水平。这种性能衰减主要源于层间低能声子耦合和声子Umklapp散射的变化。

为解决这一难题，浙江大学研究团队在《Cell Reports Physical Science》上发表了一项创新研究，他们通过引入铜夹层设计，成功开发出具有可调热学性能的双堆叠石墨烯-铜（BS-Gr/Cu）层状复合材料。该研究不仅实现了61%的热导率提升，还通过分子动力学模拟深入揭示了热传导增强的微观机制。

研究方法上，团队采用化学气相沉积（CVD）在铜基底上合成单层石墨烯，随后通过电沉积技术在石墨烯表面沉积铜夹层（厚度1-5μm），最后通过聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）辅助转移技术完成第二层石墨烯的转移，形成完整的BS-Gr/Cu复合结构。热学性能表征采用激光闪光法测量面内热扩散率，结合扫描电子显微镜（SEM）和拉曼光谱进行材料表征，并通过分子动力学（MD）模拟从原子尺度分析热传导机制。

结构和热性能表征

研究团队通过扫描电子显微镜对材料结构进行了详细表征。电沉积铜在石墨烯/铜基底上形成了均匀的颗粒状结构，颗粒尺寸随电沉积时间变化。截面SEM图像显示石墨烯与电沉积铜层之间形成了紧密的界面结合。拉曼光谱分析证实，所有样品中均未检测到明显的D峰（约1,350 cm^-1），表明合成的石墨烯具有高质量和低缺陷密度。通过I(2D)/I(G)强度比确认了两侧石墨烯均为单层结构。

增强的面内热导率

激光闪光法测量结果显示，BS-Gr/Cu复合材料的面内热导率达到约465 W·m^-1·K^-1，较纯铜薄膜（289 W·m^-1·K^-1）提高了61%。相比之下，单层石墨烯/铜（SLG/Cu）和双层石墨烯/铜（BLG/Cu）的热导率增强（TCE）分别为35%和19%。这一差异表明铜夹层在解耦石墨烯层间声子耦合方面发挥了关键作用。研究还发现，电沉积电流密度对热导率有显著影响：当电流密度为0.26 mA·cm^-2时，铜颗粒无法完全覆盖石墨烯表面，导致热导率最低；而当电流密度升至2.60和5.20 mA·cm^-2时，热导率随铜层厚度增加呈现先升后降的趋势。

热管理性能和多模态应用

散热性能测试显示，在中心点热源加热条件下，BS-Gr/Cu复合材料的表面温度较纯铜低约9°C，显著优于SLG/Cu（5°C）和BLG/Cu（1.5°C）的表现。红外热成像进一步证实BS-Gr/Cu具有更均匀的温度分布和更慢的温升速率，体现了其优异的面向导热能力。

研究团队还创新性地将复合材料与镍钛形状记忆合金（SMA）结合，展示了多形态热管理应用。实验中将SLG/Cu和BS-Gr/Cu贴附于SMA花瓣下部，在相同红外加热条件下，未贴附材料的花瓣完全展开，贴附SLG/Cu的花瓣半开，而贴附BS-Gr/Cu的花瓣保持闭合状态。这一现象表明BS-Gr/Cu能有效耗散热量，防止SMA达到相变温度，从而实现可控的形状记忆效应。

热传导的分子动力学模拟

非平衡分子动力学（NEMD）模拟结果显示，BS-Gr/Cu的温度梯度（0.459 K·?^-1）低于SLG/Cu（0.515 K·?^-1），而热流（51.34 eV·ps^-1）显著高于SLG/Cu（33.64 eV·ps^-1），证实铜夹层对热导率的增强作用。进一步分析表明，石墨烯在BS-Gr/Cu中的热导率（1,128.69 W·m^-1·K^-1）较BLG/Cu（1,052.84 W·m^-1·K^-1）提高7.2%。

声子振动态密度（VDOS）分析发现，BS-Gr/Cu中石墨烯的低频声子（0-20 THz）比例（19.50%）高于BLG/Cu（19.15%），且高频声子振幅从184.561增至206.475，表明铜夹层有效减少了声子散射。界面热导测量显示，石墨烯-铜界面的热导（664.46 MW·m^-2·K^-1）是石墨烯-石墨烯界面（277.75 MW·m^-2·K^-1）的2.4倍，这归因于更强的界面结合能（ε_{石墨烯-铜} = 25.78 meV，ε_{石墨烯-石墨烯} = 2.84 meV）。

本研究通过巧妙的材料设计，成功解决了多层石墨烯热导率随层数增加而下降的难题。铜夹层不仅有效隔离了石墨烯层，减少了声子散射，还通过增强电子-声子耦合促进了低频声子的激发。BS-Gr/Cu复合材料展现出的优异热管理性能，为高功率电子设备的热管理提供了新的材料解决方案。该研究不仅深化了对二维材料界面热传输机制的理解，也为开发高性能热管理材料开辟了新途径，在先进热管理系统中具有广阔的应用前景。