适用于高热流密度电子器件散热的碳纳米墙可控制备、导热性能及其微观影响机制研究

The present project aims at the application of a low-dimensional carbon-based nanomaterial, carbon nanowall (CNW), which possesses pristine superior in thermal conductivity in the thermal management of electronic devices with high heat flux. On one hand, a series of experimental fabrication and characterization of the CNWs will be carried out to investigate the controllable preparation and growth mechanism of the CNWs. Then the CNWs will be transferred to the electronics device with hot-spot, and the macroscopic heat dissipation property of the CNWs will be evaluated for the cases with and without surface treatment. On the other hand, the thermal and mechanical properties of heterogeneous interface between the CNWs and the substrate/device will be investigated by molecular dynamics simulation at nano- and micro-scales, and the microscopic mechanism of the influence of the defects of various types and distributions in the nanosheets of the CNWs on the thermal conductivity will be taken into consideration. The research in the present project extends the application fields of low-dimensional carbon-based nanomaterials in electronics heat dissipation. And this study have important theoretical significance with regard to the micro- and nano-scale heat dissipation mechanism in the low-dimensional system with heterogeneous interfaces as well as practical value in respect to efficient thermal management solution to high-density packaging electronic devices.

本项目针对微纳电子器件热管理需求，将具有优异本征热传导性质的低维碳基纳米材料——碳纳米墙应用于高热流密度电子器件的热点散热。本项目一方面通过系列实验制备和性能表征主要研究碳纳米墙的可控制备及生长机理，并经转移方法及表面处理应用于高热流密度电子器件的热点散热，通过热测试实验分析其宏观导热性能；另一方面，基于分子动力学模拟，分析研究碳纳米墙在转移和散热应用过程中所形成的异质界面传导和力学性能，并分析片层内缺陷类型和分布等因素对热传导性能的微观影响机制。本项目研究拓展了低维碳基纳米材料在电子器件散热领域的应用范围，不仅在深入探究包含异质界面的低维体系微纳尺度传热物理机制方面具有重要理论意义，而且在适应于高密度封装的电子器件高效散热解决方案方面具有实际应用价值。

电子器件与系统的高集成度和微小化趋势对散热材料和热管理技术提出了更高要求。为适应微纳电子器件有限空间内的高效散热需求，本项目主要研究碳纳米墙的可控制备、生长机理和性能表征，结合转移技术及表面处理将其应用于高热流密度电子器件散热，通过系列热性能实验测试和分子动力学模拟，分析碳纳米墙的宏/微观热传导性能以及碳纳米片层微观缺陷对材料性能的影响。本项目按照项目计划任务书研究计划执行，按期圆满完成项目计划书既定的研究内容：（1）实验制备与性能表征方面，对比分析了制备温度、气流流量、生长时间和衬底等关键工艺参数对样品微观形貌特征的影响，得到能够均匀生长、垂向结构尺寸可控的碳纳米墙制备方案；（2）电子器件热点散热应用方面，根据样品结构特征得到无须引入外加介质的改进转移方法，简化了转移工艺流程，从生长衬底剥离应用于目标器件表面时能更好地保持样品的完整性，同时以物理气相沉积方法实现金属层在碳纳米墙表面均匀沉积。通过系列热性能实验测试，分析了碳纳米墙应用于测试芯片表面以及所形成异质界面的宏观导热性能，结果表明在不同热流密度条件下均达到热点快速散热和降低稳态温度的效果；（3）分子动力学模拟方面，分析了碳纳米墙垂直片层结构在传热过程中的作用，对比分析了垂向结构与水平结构之间原子连接方式对界面导热性能的影响，分析了碳纳米材料片层尺寸、片层内部空位缺陷类型和分布以及片层堆叠方式与材料热导率之间的关系。