清華-伯克利深圳學院(TBSI)成會明、康飛宇Joule綜述：二維材料在熱管理中的應用

【引言】

“半導體芯片上可容納的晶體管數目每18個月將增加一倍。”半個世紀前，因特爾創始人Gorden Moore提出的摩爾定律言猶在耳。時至今日，芯片技術發展日新月異，摩爾定律卻始終預言著半導體工業的發展歷程。然而，隨著芯片集成度不斷增加，計算速度不斷提高，散熱問題愈發成為制約芯片性能提升的瓶頸。現代電子元件具有復雜的微納米結構，在極小區域內產生大量熱量，對傳統的散熱材料及技術提出了巨大挑戰。近些年的研究發現，以石墨烯、氮化硼為代表的二維材料具有極高的熱導率和優異的力學強度，被認為是適配柔性電子器件的熱管理材料首選。

近日，清華-伯克利深圳學院（TBSI）成會明院士、康飛宇教授團隊受邀在知名期刊Joule發表題為“Two-Dimensional Materials for Thermal Management Applications”的綜述文章。該文章從二維材料的熱物理性質出發，介紹了二維材料特殊的聲子性質，探討了納米尺度的熱測量方法，闡釋了材料厚度、晶粒尺寸、晶界及異質結界面等因素對熱導率的影響。在此基礎上，文章深入分析了二維材料及其三維自組裝的結構設計策略，進一步探討了二維材料在熱界面材料和柔性散熱器中的應用。最后，文章提出了將二維材料應用于熱管理器件的挑戰，并提出了該領域可能的重要研究方向與機遇。

綜述總覽：二維材料的熱物理性質、熱測量方法及其在熱管理器件中的應用

【圖文簡介】

圖1 芯片晶體管數量及熱功耗設計（TDP）隨時間的變化規律

芯片晶體管數量隨時間指數性增長（摩爾定律），TDP具有相似的增長率。

圖2 二維材料熱測量方法的比較

圖3 石墨烯熱導率（ab平面）與層數、襯底的依賴關系

圖4 二維材料及其組裝結構在聚合物基熱界面材料中的應用

（A）二維納米片與零維納米顆粒

（B）二維納米片與一維納米線

（C）三維泡沫結構

（D）三維泡沫結構與一維納米線

表1 二維材料作為導熱填料在聚合物基熱界面材料中的應用

表2 石墨烯（石墨）作為柔性散熱器的應用

【總結與展望】

在過去幾年中，二維材料的研究取得了迅速的發展。相比于二維材料的電學、光學、電化學性質研究，二維材料的熱學性質研究仍極具挑戰。同時，二維材料在熱管理器件中具有切實緊急的需求及不可替代的優勢。有鑒于此，文章認為以下三個方面具有重要的研究意義：

(1) 深入理解二維材料的熱物理性質；(2) 實現二維材料及其三維組裝結構的可控制備；(3) 研發高效簡潔的二維材料熱測量方法。

該綜述論文共同第一作者是清華-伯克利深圳學院（TBSI）2015級博士生宋厚甫、劉佳曼，論文通訊作者為成會明院士和康飛宇教授。論文作者還包括劉碧錄研究員、吳軍橋教授。

相關工作得到了國家自然科學基金委、中組部青年“千人計劃”、深圳市科創委、深圳市發改委等部門的支持。

文獻鏈接：Two-Dimensional Materials for Thermal Management Applications (Joule，2018，DOI: 10.1016/j.joule.2018.01.006)

本文由成會明院士、康飛宇教授團隊提供，特此感謝。

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