清华-伯克利深圳学院(TBSI)成会明、康飞宇Joule综述：二维材料在热管理中的应用

【引言】

“半导体芯片上可容纳的晶体管数目每18个月将增加一倍。”半个世纪前，因特尔创始人Gorden Moore提出的摩尔定律言犹在耳。时至今日，芯片技术发展日新月异，摩尔定律却始终预言着半导体工业的发展历程。然而，随着芯片集成度不断增加，计算速度不断提高，散热问题愈发成为制约芯片性能提升的瓶颈。现代电子元件具有复杂的微纳米结构，在极小区域内产生大量热量，对传统的散热材料及技术提出了巨大挑战。近些年的研究发现，以石墨烯、氮化硼为代表的二维材料具有极高的热导率和优异的力学强度，被认为是适配柔性电子器件的热管理材料首选。

近日，清华-伯克利深圳学院（TBSI）成会明院士、康飞宇教授团队受邀在知名期刊Joule发表题为“Two-Dimensional Materials for Thermal Management Applications”的综述文章。该文章从二维材料的热物理性质出发，介绍了二维材料特殊的声子性质，探讨了纳米尺度的热测量方法，阐释了材料厚度、晶粒尺寸、晶界及异质结界面等因素对热导率的影响。在此基础上，文章深入分析了二维材料及其三维自组装的结构设计策略，进一步探讨了二维材料在热界面材料和柔性散热器中的应用。最后，文章提出了将二维材料应用于热管理器件的挑战，并提出了该领域可能的重要研究方向与机遇。

综述总览：二维材料的热物理性质、热测量方法及其在热管理器件中的应用

【图文简介】

图1 芯片晶体管数量及热功耗设计（TDP）随时间的变化规律

芯片晶体管数量随时间指数性增长（摩尔定律），TDP具有相似的增长率。

图2 二维材料热测量方法的比较

图3 石墨烯热导率（ab平面）与层数、衬底的依赖关系

图4 二维材料及其组装结构在聚合物基热界面材料中的应用

（A）二维纳米片与零维纳米颗粒

（B）二维纳米片与一维纳米线

（C）三维泡沫结构

（D）三维泡沫结构与一维纳米线

表1 二维材料作为导热填料在聚合物基热界面材料中的应用

表2 石墨烯（石墨）作为柔性散热器的应用

【总结与展望】

在过去几年中，二维材料的研究取得了迅速的发展。相比于二维材料的电学、光学、电化学性质研究，二维材料的热学性质研究仍极具挑战。同时，二维材料在热管理器件中具有切实紧急的需求及不可替代的优势。有鉴于此，文章认为以下三个方面具有重要的研究意义：

(1) 深入理解二维材料的热物理性质；(2) 实现二维材料及其三维组装结构的可控制备；(3) 研发高效简洁的二维材料热测量方法。

该综述论文共同第一作者是清华-伯克利深圳学院（TBSI）2015级博士生宋厚甫、刘佳曼，论文通讯作者为成会明院士和康飞宇教授。论文作者还包括刘碧录研究员、吴军桥教授。

相关工作得到了国家自然科学基金委、中组部青年“千人计划”、深圳市科创委、深圳市发改委等部门的支持。

文献链接：Two-Dimensional Materials for Thermal Management Applications (Joule，2018，DOI: 10.1016/j.joule.2018.01.006)

本文由成会明院士、康飞宇教授团队提供，特此感谢。

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