RGO와 3차원 그래핀 네트워크의 고성능 TIM 공동 수정

결과 및 토론

준비된 RGO 나노시트, 3DGN, RGO-3DGN, RGO-3DGNs-ER의 AFM 및 SEM 이미지를 그림 1에 나타내었다. RGO 나노시트의 평균 크기는 400~600 nm(그림 1a)로 정교하게 산화 및 환원 절차를 조정하여 3DGN과 결합하도록 설계되었습니다. 3DGN의 연속적인 3D 구조는 그림 1b에서 볼 수 있으며 다공성 구조가 명확하게 표시됩니다. 결과 TIM의 경우 그림 1c에서 RGO-ER의 매끄러운 표면을 볼 수 있으며 작은 기공이 없음(그림 1c의 삽입된 원시 ER의 것과 비교)은 잠재적인 높은 열 성능을 나타냅니다. 그림 1d는 RGO-ER과 유사한 RGO-3DGNs-ER의 형태를 보여줍니다. 3DGN의 3D 구조는 3D 공간이 ER에 의해 채워지기 때문에 SEM 이미지에서 식별하기 어렵습니다. 그러나 3D 포논 전송 네트워크(3DGN의 기능)는 여전히 TIM에서 유지되며 이는 이전 보고서[7]에서 입증되었습니다. RGO-3DGNs-ER의 RGO 나노시트는 RGO의 기능(그래핀 기저면과 ER 사이의 습윤성 향상)을 발휘하기 위한 전제 조건인 열수 반응 때문에 3DGN의 표면에 로드되어야 합니다. 나노시트(자세한 내용은 다음에서 논의됨).

RGO 나노시트, 3DGN 및 결과 TIM의 형태. 준비된 RGO 나노시트, 3DGN, RGO-3DGN 및 RGO-3DGNs-ER의 AFM 및 SEM 이미지는 그림 1에 나와 있습니다. RGO 나노시트의 평균 크기는 400~600 nm a입니다. , 산화 및 환원 절차를 조정하여 3DGN과 결합하도록 정교하게 설계되었습니다. 3DGN의 연속 3D 구성은 b에서 볼 수 있습니다. , 그 다공성 구조가 명확하게 나타납니다. 결과 TIM은 c에서 RGO-ER의 매끄러운 표면을 볼 수 있습니다. , 그리고 작은 모공의 부재(완전한 ER의 것과 비교하여 c 삽입 잠재적인 높은 열 성능을 나타냅니다. d RGO-ER과 유사한 RGO-3DGNs-ER의 형태. 3DGN의 3D 구조는 3D 공간이 ER에 의해 채워지기 때문에 SEM 이미지에서 식별하기 어렵습니다. 그러나 3D 포논 전송 네트워크(3DGN의 기능)는 여전히 TIM에서 유지되며 이는 이전 보고서에서 입증되었습니다. RGO-3DGNs-ER의 RGO 나노시트는 RGO의 기능(그래핀 기저면과 ER 사이의 습윤성 향상)을 발휘하기 위한 전제 조건인 열수 반응 때문에 3DGN의 표면에 로드되어야 합니다. 나노시트

채택된 RGO 나노시트와 3DGN의 라만 곡선은 그림 2a에 나와 있습니다. 전자의 경우 세 가지 주요 신호인 G, 2D 및 D 피크를 볼 수 있지만 D 피크는 3DGN의 해당 패턴에서 찾기 어렵습니다. 흑연상 재료는 결함에 의해 D피크가 발생한다. 따라서 획득한 라만 프로파일은 3DGN의 높은 품질을 의미합니다[15, 16]. G 밴드는 E_2g와 연결됩니다. Brillouin 존 센터의 포농. 또한, RGO 나노시트의 결함 밀도 및 평균 크기는 I의 통합 강도 비율로 계산할 수 있습니다. _G /나 _D [15]. 식에 따르면 (1) [17],

평균 크기는 ~ 500nm이며, 이는 AFM 이미지의 결과와 일치합니다. RGO 나노시트는 기능기 및 경계를 포함한 두 가지 종류의 결함으로 분류할 수 있습니다. 경계의 양은 채택된 RGO 나노시트의 평균 크기에 따라 결정되는 반면 작용기의 양은 환원 절차에 따라 다릅니다. XPS 스펙트럼에 의한 RGO 나노시트의 감소 정도에 대한 자세한 내용은 이전 보고서 및 보충 자료[7, 8]에서 논의되었습니다. 확대된 FTIR은 해당 신호의 세기와 위치에 따라 다양한 물질 사이의 화학 결합을 관찰하는 데 유용한 도구입니다. 주요 흡착 피크와 ER의 해당 작용기는 그림 2b에 표시되어 있으며 RGO 나노시트 및 3DGN의 스펙트럼도 표시되어 있습니다. ~ 1600cm ⁻¹ 에서 유사한 신호 및 3000–3700cm ⁻¹ 그래핀 기저면의 골격 진동과 흡착된 물의 O-H 신축 진동으로부터 유도된다[18,19,20]. 이 두 프로필의 현저한 차이점은 1335cm ⁻¹ 에서 추가로 명백한 피크가 있다는 것입니다. O=C-OH로부터 발생하는 것은 표면 작용기로부터 생성된 RGO 나노시트에서만 볼 수 있다[21]. ER과 결합한 후 O=C-OH 신호가 절대적으로 사라지고 RGO 나노시트 표면의 카르복실이 ER의 히드록실과 반응하여 긴밀한 화학적 접촉을 형성하여 계면에서 포논 빠른 수송에 기여한다는 것을 나타냅니다. 그들 사이.

다양한 샘플의 라만 및 FTIR 곡선. 채택된 RGO 나노시트 및 3DGN의 라만 곡선은 a에 나와 있습니다. . 전자의 경우 세 가지 주요 신호인 G, 2D 및 D 피크를 볼 수 있지만 D 피크는 3DGN의 해당 패턴에서 찾기 어렵습니다. 흑연상 재료는 결함에 의해 D피크가 발생한다. 따라서 획득한 라만 프로파일은 3DGN의 높은 품질을 의미합니다. G 밴드는 E_2g와 연결됩니다. Brillouin 존 센터의 포농. 또한, RGO 나노시트의 결함 밀도 및 평균 크기는 I의 통합 강도 비율로 계산할 수 있습니다. _G /나 _D . 계산 후 평균 크기는 ~ 500nm이며, 이는 SEM 이미지의 결과와 일치합니다. 확대된 FTIR은 해당 신호의 세기와 위치에 따라 다양한 물질 사이의 화학 결합을 관찰하는 데 유용한 도구입니다. 주요 흡착 피크와 ER의 해당 작용기는 b에 표시되어 있습니다. , RGO 나노시트 및 3DGN의 스펙트럼도 제공됩니다. ~ 1600cm ⁻¹ 에서 유사한 신호 및 3000–3700cm ⁻¹ 그래핀 기저면의 골격 진동과 흡착된 물의 OH 신축 진동에 의해 유도된다. 이 두 프로필의 현저한 차이점은 1335cm ⁻¹ 에서 추가로 명백한 피크가 있다는 것입니다. O=C-OH에서 발생하는 것은 표면 작용기에서 발생하는 RGO 나노시트에서만 볼 수 있습니다. ER과 결합한 후 O=C-OH 신호가 절대적으로 사라지고 RGO 나노시트 표면의 카르복실이 ER의 히드록실과 반응하여 긴밀한 화학적 접촉을 형성하여 계면에서 포논 빠른 수송에 기여한다는 것을 나타냅니다. 그들 사이

다양한 샘플의 해당 열 성능이 그림 3에 나와 있습니다. 원시 ER의 열전도율은 ~ 0.2W/mK이며, 이는 실제 적용에서 TIM에 대한 요구 사항과는 거리가 멉니다. 다양한 필러의 질량 분율이 증가하면 결과적인 열 성능이 거의 선형 방식으로 향상됩니다(그림 3a). 여기에서 RGO 나노시트와 3DGNs co-modified 복합재는 이러한 단일 필러를 사용하는 경우와 비교하여 동일한 질량 분율에서 최고의 성능을 나타내며 특정 열전도율 값은 3DGNs 및 RGO 나노시트의 비율과 밀접한 관련이 있어 다음을 보여줍니다. 그들 사이의 시너지 효과(그림 3b). RGO 나노시트와 3DGN 모두 그래핀 기초 시트로 구성되어 있지만, 이 두 충전재의 형태와 탄소 원자의 화학적 상태와의 차이는 TIM에서 이들의 다른 기능을 부여합니다. 한편으로 3DGN의 고품질 및 연속 구조는 이전 보고서[8]에서 입증된 바와 같이 포논을 위한 우수한 고속 전송 네트워크를 만듭니다. 반면에, 높은 결함 밀도와 연속적인 구조의 부재로 인해 RGO 필러의 포논 수송 능력은 3DGN보다 약합니다[7]. 따라서 RGO 나노시트 지원 TIM의 일반적인 성능은 3DGN을 채택한 이러한 샘플만큼 좋지 않습니다. 그러나 RGO 나노시트의 표면 작용기는 그래핀 기저면과 ER 사이의 계면에서 더 나은 접촉을 가져오며, 이는 감소된 열 경계 저항으로 확인할 수 있습니다. Balandin의 이론에 따르면 그래핀으로 변형된 ER의 열전도도는 다음과 같이 표현될 수 있다[22].

필러의 질량 파벌이 증가된 합성물의 열전도율. 다양한 샘플의 해당 열 성능이 그림 3에 나와 있습니다. 깨끗한 ER의 열전도율은 0.2W/mK이며, 이는 TIM에 대한 요구 사항과는 거리가 멉니다. 다양한 충전제의 질량 분율이 증가함에 따라 결과적으로 열 성능이 거의 선형 방식으로 향상됩니다(a ). 여기에서 RGO 나노시트와 3DGNs co-modified 복합재는 이러한 단일 필러를 사용하는 경우와 비교하여 동일한 질량 분율에서 최고의 성능을 나타내며 특정 열전도율 값은 3DGNs 및 RGO 나노시트의 비율과 밀접한 관련이 있어 다음을 보여줍니다. 그들 사이의 시너지(b ). RGO 나노시트와 3DGN 모두 그래핀 기초 시트로 구성되어 있지만, 이 두 충전재의 형태와 탄소 원자의 화학적 상태와의 차이는 TIM에서 이들의 기능을 다르게 부여합니다. 한편으로 3DGN의 고품질 및 연속 구조는 이전 보고서에서 입증된 바와 같이 포논을 위한 우수한 고속 전송 네트워크를 만듭니다. 반면, 높은 결함 밀도와 연속 구조의 부재로 인해 RGO 필러의 포논 수송 능력은 3DGN보다 약합니다.

여기서 p 그래핀 충전제의 부피 백분율을 나타내며 K , 케이 _g , 및 K _e 는 각각 생성된 복합체, 그래핀 및 ER의 열전도율입니다. 안 및 δ 는 그래핀의 두께와 그래핀과 ER 사이의 열 경계 저항입니다. 계산 후 유사한 δ RGO-ER 및 RGO-3DGNs-ER 샘플의 값은 추가된 RGO 나노시트가 3DGN의 표면에 로드되었음을 증명합니다(그림 4). 이전 연구 결과에 따르면 δ 3DGNs-ER 샘플의 값은 3DGNs와 ER 사이의 접촉 불량으로 인해 RGO-ER 샘플의 값보다 훨씬 높습니다[7, 8]. RGO 나노시트의 작용기는 계면에서 더 나은 접촉을 가져오고, 이는 더 작은 δ 3DGNs-ER 샘플과 비교. 채택된 RGO 나노시트의 환원 정도에 대한 추가 최적화가 수행되고 작용기의 탄소 원자에 대한 요소 탄소 원자의 비율 ~ 1.7이 권장됩니다(자세한 내용은 추가 파일 1:그림 S1 및 이전 보고서에 나와 있습니다. [7, 8]).

다양한 샘플의 계산된 열 경계 저항. 열 경계 저항(δ)은 TIM의 결과적인 열 성능을 결정하는 중요한 매개변수입니다. Balandin의 이론에 따르면 그래핀으로 변형된 ER의 열전도도는 δ 값과 밀접한 관련이 있습니다. 계산 후, RGO-ER 및 RGO-3DGNs-ER 샘플의 유사한 δ 값은 추가된 RGO 나노시트가 3DGN의 표면에 로드되었음을 증명합니다(그림 4). 우리의 이전 연구 결과에 따르면 3DGNs-ER 샘플의 δ 값은 3DGN과 ER 사이의 접촉 불량으로 인해 RGO-ER보다 훨씬 높습니다. RGO 나노시트의 작용기는 계면에서 더 나은 접촉을 가져오므로 3DGNs-ER 샘플에 비해 δ가 더 작아집니다.

전자 장치의 실제 작업 조건을 시뮬레이션하기 위해 고온에서 생성된 TIM의 성능을 감지합니다(그림 5a). 온도가 증가하면 강화된 Umklapp 산란으로 인해 모든 TIM의 열전도율이 감소합니다. Kapitza 경계 산란은 동시에 감소하지만(인터페이스를 가로지르는 포논의 확률은 \( \sim {e}^{\frac{-E}{KT}} \)에 비례함) 감소는 복구할 수 없습니다. Umklapp 산란의 해당 증가는 열전도율의 전체 감소로 이어집니다. 3DGN 보조 샘플과 비교하여 RGO 나노시트가 추가된 복합 재료의 고온에서 열전도도 안정성은 더 민감한 카피자 경계 산란(RGO 나노시트의 경계가 더 많아짐)으로 인해 더 좋습니다. 또한 240시간 연속 작업 후 RGO-3DGNs-ER 샘플의 열 성능에 대한 명백한 저하가 발견되지 않았으며(그림 5b), 이는 이 TIM의 잠재적인 유망한 전망을 나타냅니다. 긴 작업 시간 동안 순수한 ER의 안정성도 그림 5b에 기록되어 있습니다. 순수한 ER과 결과 합성물의 유사한 안정성(열전도율의 모든 저하가 10% 미만임)은 필러를 추가한 후 열 안정성에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 나타냅니다.

다양한 샘플의 계산된 열 경계 저항. 전자 장치의 실제 작업 조건을 시뮬레이션하기 위해 고온에서 생성된 TIM의 성능을 감지합니다(a ). 온도가 증가하면 강화된 Umklapp 산란으로 인해 모든 TIM의 열전도율이 감소합니다. Kapitza 경계 산란은 동시에 감소하지만(인터페이스를 가로지르는 포논의 확률은 \( \sim {e}^{\frac{-E}{KT}} \)에 비례함) 감소는 복구할 수 없습니다. Umklapp 산란의 해당 증가는 열전도율의 전체 감소로 이어집니다. 3DGN 지원 샘플과 비교하여 RGO 나노시트가 추가된 복합재의 고온에서 열전도도의 안정성은 더 민감한 Kapitza 경계 산란(RGO 나노시트의 경계가 많을수록)이 더 민감하기 때문에 더 좋습니다. 또한 240시간 연속 작업 후 RGO-3DGNs-ER 샘플의 열 성능에 대한 명백한 저하가 발견되지 않았습니다(b ), 이 TIM의 잠재적인 유망한 전망을 나타냅니다. 오랜 작업 시간 동안 순수한 ER의 안정성은 b에도 기록되어 있습니다. . 순수한 ER 및 생성된 합성물의 유사한 안정성(열전도율의 모든 저하가 10% 미만임)은 필러를 추가한 후 열 안정성에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 나타냅니다.

마지막으로 이러한 TIM의 기계적 특성도 기록됩니다. 극한 강도 및 스트레칭 한계를 포함한 해당 성능은 추가 파일 1:표 S1에 나열되어 있습니다. 3DGNs-ER 및 RGO-3DGNs-ER 샘플 모두 3DGNs의 연속 3D 구조가 그래핀의 뛰어난 고유 기계적 특성을 유지하는 데 유익하기 때문에 높은 기계적 강도를 나타냅니다. 3DGNs-ER과 RGO-3DGNs-ER 샘플의 성능을 비교한 결과, 첨가된 RGO 나노시트의 영향으로 인해 RGO 나노시트가 ER 매트릭스에 분산되지 않고 3DGN 표면에 로딩되었음을 다시 유추할 수 있다. 무시됩니다.