熱管理在人工智能、云技術(shù)和最先進(jìn)的微電子領(lǐng)域中引起了越來越多的關(guān)注。然而，高功率密度使得芯片、電路或印刷電路板中的熱量累積變得更加嚴(yán)重，致使器件性能和穩(wěn)定性下降，甚至造成電子設(shè)備永久損失、壽命降低。

單層石墨烯作為一種典型的二維材料，表現(xiàn)出5000 W?m^?1??K^?1?的面內(nèi)熱導(dǎo)率，這是已知材料中最高的。此外，石墨烯具有的高強(qiáng)度、高柔韌性和低密度等優(yōu)良屬性，使其成為不同場景下熱管理的理想候選材料。因此，具有高熱導(dǎo)率和一定厚度的石墨烯可以高效地傳導(dǎo)熱量，使設(shè)備保持在安全的溫度范圍內(nèi)。這種情況下，石墨烯厚膜有望成為微電子等領(lǐng)域中熱管理的最佳解決方案。

目前常見的商業(yè)技術(shù)是基于氧化石墨烯(GO)的組裝和還原，由于其成本低、產(chǎn)量高，相較于機(jī)械剝離、外延生長和化學(xué)氣相沉積(CVD)更受歡迎。為了制備石墨烯厚膜，GO需要經(jīng)過熱還原和石墨化處理。其中，GO的還原會在膜內(nèi)引入大量孔隙，導(dǎo)致密度下降，低至約0.3 g?cm^?3?，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單晶石墨的密度 (2.26 g?cm^?3?) 。由于熱導(dǎo)率與密度正相關(guān)，密度降低會顯著降低熱導(dǎo)率。先前的研究主要集中在通過壓延技術(shù)提高密度，從而提高熱導(dǎo)率。但與此同時，由于石墨烯周圍的孔洞受到壓縮，之后并未完全消失，而是進(jìn)行了結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，形成新的孔洞。這些問題使得基于GO的石墨烯膜的制備方面即使得到了優(yōu)化，但當(dāng)其厚度大于 100μm 時，熱導(dǎo)率依舊低于 1500 W?m^?1??K^?1?，這與高定向熱解石墨(HOPG)相比仍存在一定差距。

研究人員對影響熱擴(kuò)散系數(shù)的因素進(jìn)行研究，闡明微觀孔洞對熱擴(kuò)散系數(shù)的影響及其作用機(jī)制，得出結(jié)論：密集小孔洞結(jié)構(gòu)可使熱擴(kuò)散系數(shù)降低39.4%，而同等面積的單一大孔洞結(jié)構(gòu)對熱擴(kuò)散系數(shù)的降低僅約16.1%。通過三維重構(gòu)獲得的統(tǒng)計結(jié)論也與計算結(jié)果完全匹配。其內(nèi)在機(jī)制是密集小孔洞結(jié)構(gòu)的存在對原有傳熱路徑的破壞更為嚴(yán)重，而單一大孔洞結(jié)構(gòu)的這一作用則相對較弱，只是降低了整體密度從而降低熱導(dǎo)率。