石墨烯因其超高的平面内热导率（3000–5000 W/m·K）被认为是集成电路散热领域的理想材料。然而，其垂直方向热导率（TPTC）较低，限制了其在高效热管理中的应用。近日，西安交通大学物理学院与能源与动力工程学院联合团队在《Journal of Alloys and Compounds》上发表了一项突破性研究，提出通过调控石墨烯膜（GNM）层间微观结构显著提升其TPTC，为石墨烯在热管理领域的应用开辟了新路径。
该研究以“通过层间微观结构调控增强石墨烯膜垂直热导率：多尺度数值模拟与实验验证”为题，通过结合分子动力学（MD）模拟、第一性原理（DFT）计算和实验验证，系统探索了层间金属元素装饰对石墨烯膜TPTC的影响。研究团队提出了一种新颖策略，通过在石墨烯层间引入金属元素（如铝、钛、镍等），优化层间结合状态，从而显著提升TPTC。
主要研究内容
研究通过分子动力学模拟分析了不同金属元素（Al、Ti、Ni、Co、Au）对石墨烯层间热导率（ITC）的影响。结果显示，Al、Ti、Ni等金属元素通过形成化学键和强界面相互作用（如电子局域化），显著增强了层间热导率。例如，Cu-GN-Al模型的ITC达到343 MW/(m²·K)，远高于纯石墨烯的140 MW/(m²·K)。DFT计算进一步揭示了增强机制：金属元素与石墨烯碳原子间的化学键合和电子转移增强了声子传输效率。
实验方面，研究团队通过共还原法和真空渗透技术制备了装饰有Al、Ni、Co金属纳米粒子的复合石墨烯膜。利用时域热反射（TDTR）技术对这些膜的TPTC进行测试，结果显示，装饰铝的石墨烯膜（GNM@Al）的TPTC高达400 W/m·K，较纯石墨烯膜（约140 W/m·K）提升近3倍，验证了模拟结果的有效性。
TDTR方法的应用场景与贡献
在该研究中，TPTC的测试采用了Aunist（昊远精测）公司生产的AUTINST Pioneer-01 TDTR系统。该系统配备飞秒激光源（Spark Lasers ALCOR 1064）、电光调制器和600 mm线性延迟台，能够精确测量纳米尺度材料的热导率和界面热阻。研究中，石墨烯膜厚度约为10 μm，视为半无限基底，TDTR通过拟合热传输模型，提取石墨烯膜的TPTC和Al/GNM界面热阻。测试结果的误差控制在约4%，得益于系统对Al膜厚度和石墨烯膜比热的精确测量。
TDTR方法在该研究中的应用，不仅验证了层间金属装饰对TPTC的增强效果，还为石墨烯基材料热性能的精确表征提供了可靠手段。其高灵敏度和非破坏性特点，使其成为研究纳米材料热传输特性的重要工具。
主要贡献
创新策略：提出通过层间金属元素装饰优化石墨烯膜TPTC的新方法，为热管理材料设计提供了新思路。
多尺度研究：结合MD模拟和DFT计算，揭示了金属元素增强TPTC的微观机制，为材料设计提供理论指导。
实验验证：通过制备复合石墨烯膜并利用Aunist（昊远精测）AUTINST Pioneer-01 TDTR系统测试，确认TPTC显著提升，Max 400 W/m·K。
应用前景：该策略提升了石墨烯膜在垂直和水平方向的综合热管理性能，为其在电子封装、热界面材料等领域的应用奠定了基础。
总结
这项研究通过理论与实验结合，成功开发了一种提升石墨烯膜TPTC的创新方法，为解决石墨烯在热管理应用中的关键瓶颈提供了有效途径。Aunist（昊远精测）TDTR系统的应用确保了测试结果的可靠性，为纳米材料热性能研究提供了重要支持。这一成果不仅推动了石墨烯基材料的发展，也为高性能电子器件的散热技术提供了新方向。
