隨著電子器件向高性能、小型化發展，芯片功率密度提升帶來的熱管理問題成為制約器件穩定性的關鍵瓶頸。碳基高導熱材料在面內熱導率超過1500 W/m·K時，面外熱導率普遍低于8 W/m·K，甚至只有4-5 W/m·K，難以滿足高功率器件三維熱傳導需求。近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所丁古巧、何朋團隊聯合寧波大學王剛團隊在《Advanced Functional Materials》發表研究，提出以芳綸膜為前驅體通過高溫石墨化工藝制備低缺陷、大晶粒、高取向的雙向高導熱石墨膜，在膜厚度達到40微米的情況下實現面內熱導率Kin達到1754 W/m·K，面外熱導率Kout突破14.2 W/m·K。
圖1.?雙向高導熱石墨膜的導熱性能及其在電子熱管理中的應用
傳統石墨膜制備以氧化石墨烯或聚酰亞胺為原料，面臨氣體逸散導致的結構缺陷難題。該研究提出選用芳綸膜作為前驅體，利用其低氧含量(~11%)和氮摻雜特性(氮含量~9%)，在3000 ℃高溫處理時實現缺陷自修復、晶粒定向生長及氣體逸散優化。芳綸中氮原子促進晶格缺陷修復，退火后雙向高導熱石墨膜缺陷指標ID/IG低至0.008；芳綸分子中有序苯環為石墨晶格提供生長模板，使面內晶粒尺寸(La)達2179 nm、面外有序堆疊尺寸(Lc)達53 nm。雙向高導熱石墨膜通過結構調控展現出優異的雙向導熱性能：面內熱導率1754 W/m·K，較同條件下氧化石墨烯衍生膜提升17%；面外熱導率14.2 W/m·K，提升118%，突破碳基薄膜面外熱導率瓶頸；亂層堆垛比例僅1.6%，接近理想石墨AB堆疊結構。與傳統導熱膜相比，雙向高導熱石墨膜在面內和面外熱導率及缺陷控制上均表現出顯著優勢。在智能手機散熱模擬中，搭載雙向高導熱石墨膜的芯片表面最高溫度從52 ℃降至45 ℃；在2000 W/cm2熱流密度的高功率芯片散熱中，AGFs使芯片表面溫差從50 ℃降至9 ℃，實現快速溫度均勻化。
圖2.?雙向高導熱石墨膜制備機制示意圖
該研究揭示了芳綸前驅體在石墨膜制備中的獨特優勢，證明了氮摻雜與低氧含量前驅體可提升石墨膜結晶質量和雙向導熱特性，其雙向導熱性能突破可為5G芯片、功率半導體等高功率器件熱管理提供關鍵材料和技術支撐。相關成果以“Bidirectionally High‐Thermally Conductive Graphite Films Derived from Aramid for Thermal Management in Electronics”為題發表于Advanced Functional Materials. 2025, 2425824.?(https://doi.org/10.1002/adfm.202425824)，論文第一作者為中國科學院上海微系統與信息技術研究所博士生鄭豪龍、楊舒景，研究獲國家自然科學基金等項目支持。
