Nghiên cứu tổng hợp màng giao diện dẫn nhiệt từ graphene fluoride

Tổng hợp màng Graphene Fluoride (GF) với khả năng dẫn nhiệt vượt trội, cách điện và độ bền cơ học cao, ứng dụng hiệu quả cho tản nhiệt điện tử.

• Tác giả: Trần Thị Thu Hiền
• Người hướng dẫn: TS. Mai Văn Bảy
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Hóa lí thuyết và Hóa lí
• Đề tài: NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP MÀNG GIAO DIỆN DẪN NHIỆT TỪ GRAPHENE FLUORIDE
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Khái niệm và đặc điểm của Màng Graphene Fluoride

Màng graphene fluoride (GF) là một vật liệu tiên tiến được tổng hợp từ graphite fluoride thông qua quy trình nghiền bi. Đây là một dẫn xuất của graphene với cấu trúc hai chiều độc đáo, mang lại những tính chất vượt trội. Graphene fluoride được xem là một trong những vật liệu dẫn nhiệt hiệu suất cao nhất hiện nay, với khả năng truyền tải năng lượng nhiệt vô cùng hiệu quả. Cấu trúc đặc biệt của nó cho phép các electron và phonon di chuyển với sự cản trở tối thiểu, tạo ra độ dẫn nhiệt xuất sắc. Ngoài tính dẫn nhiệt, màng GF còn sở hữu những đặc tính cơ học mạnh mẽ, khả năng cách điện cao và ổn định nhiệt tuyệt vời, khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng công nghệ cao trong lĩnh vực điện tử và quản lí nhiệt.

1.1. Cấu trúc tinh thể và thành phần của Graphene Fluoride

Graphene fluoride có cấu trúc tinh thể được xác định thông qua nhiễu xạ tia X (XRD) và quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR). Thành phần hoá học của GF bao gồm các nguyên tử carbon được liên kết với nguyên tử fluorine, tạo nên một mạng lưới carbon hai chiều vô cùng chặt chẽ. Sự hiện diện của các liên kết C-F giúp tăng cường độ bền cơ học và ổn định lâu dài. Cấu trúc này khác biệt so với graphene nguyên chất, cho phép màng GF có những tính chất độc nhất vô nhị trong dẫn nhiệt và cách điện.

1.2. Quá trình tổng hợp và chế tạo Màng GF

Màng graphene fluoride được chế tạo thông qua phương pháp lọc hỗ trợ chân không từ bột GF. Quy trình bắt đầu với việc tổng hợp bột graphene fluoride từ graphite fluoride bằng nghiền bi, sau đó tạo các tấm tổng hợp nano (GFS) với độ dày có thể điều chỉnh. Phương pháp này cho phép kiểm soát chính xác cấu trúc và kích thước của màng GF, đảm bảo tính nhất quán và chất lượng cao. Các màng thu được có độ dày từ 10 μm trở lên, phù hợp cho nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau.

II. Tính chất Dẫn nhiệt và Các Ứng dụng Thực tiễn

Hiệu suất dẫn nhiệt của màng graphene fluoride là điểm nổi bật chính của vật liệu này. Theo kết quả nghiên cứu, độ dẫn nhiệt của GFS trong mặt phẳng đạt 242 W·m⁻¹·K⁻¹ ở độ dày 10 μm, con số này vượt trội so với nhiều vật liệu truyền thống. Khả năng này có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi độ dày của màng GF, cung cấp tính linh hoạt cao trong thiết kế. Các ứng dụng thực tiễn của vật liệu dẫn nhiệt hiệu suất cao này bao gồm quản lí nhiệt trong các thiết bị điện tử, tản nhiệt cho bộ xử lí máy tính, và các hệ thống nâng cao trong công nghiệp hàng không vũ trụ. Màng GF cũng có thể được tích hợp vào các vật liệu composite để cải thiện hiệu suất tổng thể.

2.1. Độ dẫn nhiệt và các yếu tố ảnh hưởng

Độ dẫn nhiệt của màng graphene fluoride phụ thuộc vào nhiều yếu tố chính như độ dày màng, kích thước của các hạt tinh thể GF, và mức độ khết tinh. Nghiên cứu cho thấy rằng khi tăng độ dày màng GF từ 10 μm đến 30 μm, độ dẫn nhiệt có thể được tối ưu hóa tùy theo nhu cầu ứng dụng cụ thể. Cơ chế dẫn nhiệt trong graphene fluoride chủ yếu thông qua sự truyền tải của phonon dọc theo các liên kết C-F cực kỳ chặt chẽ, với ít cản trở về hình thái học.

2.2. Ứng dụng trong quản lí nhiệt điện tử

Vật liệu dẫn nhiệt hiệu suất cao như màng graphene fluoride là giải pháp tối ưu cho các thiết bị điện tử hiện đại, nơi quản lí nhiệt là yếu tố quan trọng. Độ dẫn nhiệt cao của GF giúp thoát nhiệt nhanh chóng từ các chip bộ xử lí, prevent overheating và kéo dài tuổi thọ thiết bị. Ngoài ra, khả năng cách điện cao (điện trở suất lớn hơn 10¹¹ Ω·m) của màng GF đảm bảo an toàn điện trong các ứng dụng này, tạo nên sự kết hợp hoàn hảo giữa hiệu suất dẫn nhiệt và bảo vệ điện.

III. Tính chất Cơ học và Độ Bền của Màng GF

Bên cạnh khả năng dẫn nhiệt, màng graphene fluoride còn thể hiện những tính chất cơ học đáng kể. Độ bền kéo của GFS đạt 38.3 MPa với mô đun Young là 6 GPa, cho thấy vật liệu có độ cứng và khả năng chịu lực tốt. Khi tạo màng tổng hợp nano lai GFS@rGO bằng cách kết hợp với graphene oxide khử (rGO), các tính chất cơ học được cải thiện đáng kể. Độ bền kéo tăng lên đến 69.3 MPa và mô đun Young đạt 10.2 GPa ở mức 20% trọng lượng rGO. Sự cải thiện này là do sự tương tác mạnh mẽ giữa các lớp GF và rGO, tạo ra một cấu trúc composite vô cùng chắc chắn. Vật liệu dẫn nhiệt hiệu suất cao này kết hợp độ bền tuyệt vời, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu cả dẫn nhiệt lẫn độ cứng cơ học.

3.1. Độ bền cơ học của Màng GF đơn và Composite

Độ bền kéo của màng graphene fluoride nguyên chất là 38.3 MPa, trong khi mô đun Young là 6 GPa, cho thấy vật liệu có khả năng chịu deformation tốt. Khi tổng hợp màng GFS@rGO, độ bền cơ học tăng lên đáng kể do sự kết hợp hiệu quả giữa hai thành phần. Mô đun Young có thể tăng từ 6 GPa lên 10.2 GPa khi tỷ lệ rGO là 20%, chứng tỏ khả năng tăng cường cơ học đáng kể thông qua ghép nối vật liệu.

3.2. Ổn định nhiệt và Chống cháy

Ổn định nhiệt của màng graphene fluoride là một đặc tính nổi bật, cho phép nó duy trì tính chất trong phạm vi nhiệt độ rộng. Màng tổng hợp nano GFS@rGO có khả năng chống cháy hiệu quả, ngăn chặn sự lan rộng của lửa một cách đáng tin cậy. Tính chất chống cháy này là do sự hiện diện của các liên kết C-F rất bền vững và cấu trúc compact của vật liệu, làm giảm khả năng cung cấp oxygen cho quá trình đốt cháy, tạo nên bảo vệ an toàn cao.

IV. Hướng Phát triển và Tiềm Năng Thương mại

Graphene fluoride đang mở ra những cánh cửa mới cho phát triển vật liệu dẫn nhiệt hiệu suất cao với tính linh hoạt cao. Sự kết hợp của độ dẫn nhiệt xuất sắc, tính chất cơ học mạnh mẽ, cách điện cao, và khả năng chống cháy tuyệt vời tạo nên một vật liệu đa chức năng đáng chú ý. Các nghiên cứu gần đây cho thấy tiềm năng to lớn của màng GF trong ngành công nghiệp điện tử, từ những thiết bị tiêu dùng đến các ứng dụng hàng không vũ trụ. Màng tổng hợp nano GFS@rGO có thể ngăn chặn lửa lan rộng hiệu quả cùng khả năng tản nhiệt cao, thúc đẩy phát triển mạnh mẽ của các vật liệu đa chức năng. Trong những năm tới, dự kiến graphene fluoride sẽ trở thành thành phần quan trọng trong các thiết bị điện tử thế hệ mới, mở ra các ứng dụng sáng tạo và giải pháp công nghệ tiên tiến.

4.1. Xu hướng nghiên cứu và Phát triển công nghệ

Graphene fluoride đang là tâm điểm của nhiều dự án nghiên cứu quốc tế nhằm tối ưu hóa tính chất dẫn nhiệt và tính chất cơ học. Các nhà khoa học đang tập trung vào việc phát triển màng GF với cấu trúc phân cấp, kết hợp nhiều loại vật liệu để tạo nên vật liệu dẫn nhiệt hiệu suất cao có tính tuỳ chỉnh. Phương pháp tổng hợp mới đang được khám phá để giảm chi phí sản xuất graphene fluoride mà vẫn duy trì chất lượng cao, giúp việc thương mại hoá trở nên khả thi.

4.2. Tiềm năng ứng dụng thương mại và Tương lai

Vật liệu dẫn nhiệt hiệu suất cao như màng graphene fluoride có tiềm năng to lớn trong thị trường điện tử toàn cầu. Từ các thiết bị di động, máy tính xách tay đến các hệ thống ổn định khí phóng, graphene fluoride có thể mang lại giải pháp tối ưu. Khả năng tản nhiệt cao cùng các tính chất đa chức năng của màng GFS@rGO dự kiến sẽ cách mạng hóa thiết kế các thiết bị điện tử trong tương lai, giúp sản phẩm nhỏ gọn hơn nhưng hiệu suất cao hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Tổng quan về quản lí nhiệt. Quản lí nhiệt của thiết bị điện tử là điều cần thiết để ngành công nghiệp điện tử phát triển nhanh chóng. Với việc các thiết bị điện tử đang được phát triển theo hướng giảm dần kích thước và tăng tốc độ hoặc tần số cũng như đa chức năng hơn, làm cho việc phát triển vật liệu dẫn nhiệt ứng dụng trong quản lí nhiệt trong thiết bị điện tử ngày càng quan trọng.

Bên cạnh đó cũng đòi hỏi phải cung cấp một năng lượng làm mát thiết bị giúp cho hệ thống vận hành hiệu quả hơn. Một hệ làm mát mà vừa phải quản lí nhiệt tốt nhưng đồng thời không ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của máy móc thiết bị. Điều này gây ra sự khó khăn nhất định vì sự thu nhỏ của thiết bị liên quan trực tiếp đến sự tăng lên mật độ mạch, dẫn đến việc sản sinh ra lượng nhiệt đáng kể. Nếu lượng nhiệt này không được tiêu thụ thì tuổi thọ của thiết bị sẽ giảm.

Những giải pháp đưa ra nhằm khắc phục vấn đề này thì rất nhiều, và một trong số đó chính là vấn đề vật liệu lắp ráp cụ thể là vật liệu tản nhiệt (TIM_Thermal Interfaces Materials)[2-5]. TIM giúp tản nhiệt ra khỏi các mạch tích hợp (IC_Integrated Circuits) bằng cách giảm thiểu nhiệt trở bề mặt giữa các thành phần trong thiết bị điện tử. Nhiệt trở bề mặt là do khe hở không khí giữa hai bề mặt không hoàn hảo về mặt hình học (Hình 1. TIM loại bỏ các khoảng trống không khí giữa các bộ phận bằng cách thay thế những khoảng trống đó bằng vật liệu dẫn nhiệt cao hơn.

Trong đóng gói các thiết bị điện tử truyền thống, TIM được sử dụng ở hai bên của bộ tản nhiệt tích hợp (IHS_Integrated Heat Spreader) (Hình 1. Công việc chính của IHS là tản nhiệt do bộ xử lí trung tâm (CPU_Central Processing Unit) tạo ra, do đó nó không tạo ra các điểm nóng. Việc giảm nhiệt trở giữa các thành phần giúp loại bỏ nhiều nhiệt hơn khỏi CPU. (a) Hình minh họa thể hiện các khe hở không khí cản trở sự dẫn nhiệt tốt qua các bề mặt cơ học như thế nào; (b) Sơ đồ minh hoạ vị trí TIM được đặt ở mỗi bên của bộ tản nhiệt tích hợp (IHS) trong mạch tích hợp thông thường.

Độ dẫn nhiệt Độ dẫn nhiệt k (W.K-1) là một thông số vật lí của vật liệu, nó đặc trưng cho khả năng truyền nhiệt qua vật liệu và được xác định thông qua biểu thức: 𝜑 = −𝑘𝛻𝑇 (1. • 𝛻𝑇 là gradient nhiệt độ (là hàm của nhiệt độ tương ứng với vị trí và thời gian trong mẫu). • 𝑘 là hằng số dương đối với một vật liệu cụ thể. 𝜑 được mô tả bởi định luật Fourier về dẫn nhiệt như sau: 𝑑𝛷 (1.s ) là tốc độ dòng nhiệt (hay lượng nhiệt được truyền qua -1 vật liệu trong một đơn vị thời gian): 𝑑𝑄 (1.5) 𝑑𝑄 = 𝑆𝑑𝑡 𝑑𝑥 Nhiệt dung C (J·K−1) của vật liệu là lượng nhiệt cần cung cấp cho vật để tạo ra một đơn vị thay đổi nhiệt độ của vật đó: 𝑑𝑄 (1.6) 𝐶= 𝑑𝑇 Nói cách khác, mỗi vật liệu cần một lượng nhiệt để tăng nhiệt độ của nó thêm 1ᵒC.

Nhiệt dung là thuộc tính của vật liệu, tỉ lệ thuận với lượng vật chất. Nhiệt dung riêng là nhiệt dung trên một đơn vị khối lượng. Trong quá trình biến đổi mà áp suất của hệ được giữ không đổi thì nhiệt dung riêng của hệ được gọi là nhiệt dung riêng đẳng áp Cp (J·kg−1·K−1): 𝐶 (1.8) = 𝑚𝐶𝑃 𝑑𝑇 Kết hợp các phương trình (1. 𝑑𝑥 𝑑𝑉 Trong các công thức (1.12), α (m2·s-1) và ρ (kg·m-3) lần lượt được gọi là hệ số khuếch tán nhiệt và khối lượng riêng của vật liệu.12), độ dẫn nhiệt được biểu diễn như sau: 𝑘 = 𝛼.13) Như vậy, hệ số dẫn nhiệt k là một đại lượng đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật liệu.

Từ góc độ toán học, độ dẫn nhiệt là khả năng vật liệu truyền nhiệt năng Q qua bề dày x và diện tích bề mặt A của vật liệu trong một khoảng thời gian t nhất định khi có sự chênh lệch nhiệt độ ΔT giữa hai mặt đối diện của nó. Hệ số khuếch tán nhiệt α là sự mở rộng khuếch tán nhiệt từ phía này sang phía đối diện trong vật liệu. α được thể hiện bởi các tham số độ dài khuếch tán nhiệt Lc và thời gian khuếch tán τc như sau: 𝐿𝐶 = √𝛼.14) Tuy nhiên, α trong phương trình (1.14) chỉ phản ánh tốc độ khuếch tán nhiệt nhanh như thế nào và không xét đến lượng nhiệt năng trong quá trình khuếch tán nhiệt. Đây là một tính năng trạng thái tạm thời và thường được đo bằng kĩ thuật Laser Flash.

Cơ chế dẫn nhiệt 1. Cơ chế dẫn nhiệt trong polime khối Độ dẫn nhiệt của vật liệu được chứng minh là có thể biểu thị thông qua cộng hưởng truyền electron và phonon. Các electron chiếm ưu thế trong sự dẫn nhiệt của kim loại, trong khi đó sự truyền phonon đại diện cho sự dẫn nhiệt trong vật liệu tổng 7 hợp polime [11-13]. Nói cách khác, sự dẫn nhiệt trong polime có thể được cho là do sự truyền phonon (Hình 1.

Cần lưu ý rằng sự tán xạ phonon (tại các bề mặt tiếp xúc của phonon và phonon/điểm khuyết) có thể xảy ra trong quá trình di chuyển của phonon, dẫn đến việc tạo ra nhiệt trở bề mặt. Vật liệu polime có độ kết tinh thấp hơn nhiều so với vật liệu vô cơ. Sự kết hợp giữa vùng tinh thể bên trong với vùng vô định hình tạo ra nhiều bề mặt tiếp xúc bên trong không liên tục và các khiếm khuyết mạng, dẫn đến sự gia tăng tán xạ phonon và làm giảm hiệu suất truyền phonon. Kết quả là vật liệu polime có độ dẫn nhiệt thấp hơn vật liệu vô cơ.

Sự vận chuyển phonon Sự tán xạ phonon Hình 1. Cơ chế dẫn nhiệt trong polime vô định hình [3]. Cơ chế dẫn nhiệt trong hạt tinh thể Có sự khác biệt về cơ chế dẫn nhiệt giữa các hạt tinh thể và polime vô định hình. Các phonon không thể đi theo đường sóng thẳng trong vật liệu polime do sự sắp xếp các nguyên tử không đều, gây ra các dao động và chuyển động quay hỗn loạn.

So với vật liệu polime, các vật liệu tinh thể (ví dụ như graphene) cho thấy tính dẫn nhiệt cao hơn đáng kể [15,16]. Chuyển động của phonon trong các hạt tinh thể lí tưởng có thể được hiểu như sau: Nhiệt năng từ bề mặt nóng truyền tới các nguyên tử ở rìa vật liệu làm cho chúng bắt đầu dao động với tần số ν = ε/h, trong đó ε là nhiệt năng và h là hằng số Planck. Năng lượng được truyền đến các nguyên tử gần đó để khiến chúng dao động ở cùng tần số với các nguyên tử rìa. Năng lượng nhiệt được truyền đến cạnh đối diện của vật liệu với cùng mức độ dao động.

Sau đó năng lượng bị tiêu tán ra môi trường do bức xạ và dẫn nhiệt.3 minh họa cơ chế dẫn nhiệt trong hạt tinh thể. Cơ chế dẫn nhiệt trong cấu trúc tinh thể lí tưởng [1]. Cơ chế dẫn nhiệt trong polime tổng hợp Để cải thiện tính dẫn nhiệt của vật liệu hữu cơ vô định hình, cách hiệu quả nhất là thêm chất độn dẫn nhiệt cao vào chất nền cách điện. Việc đo độ dẫn nhiệt của vật liệu tổng hợp gồm chất độn/polime là một phép đo phức tạp vì quá trình này bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố bao gồm tính dẫn nhiệt nội tại của chất độn, cấu trúc mạng, sự phân tán của chất độn và nhiệt trở bề mặt.

Chất độn đóng một vai trò quan trọng trong việc cải thiện các thông số xử lí trong hệ polime dẫn nhiệt vì nó chi phối tính dẫn nhiệt của vật liệu tổng hợp polime.4(a) cho thấy trong hệ polime có mạng lưới chất độn liên tục, dòng nhiệt có thể được truyền dọc theo mạng/cấu trúc ở mức tán xạ phonon thấp. Trong khi đó, mạng lưới chất độn không liên tục sẽ gây ra một lượng lớn tán xạ phonon ở bề mặt phân cách giữa chất độn và cấu trúc polime do sự chênh lệch giữa các nguyên tử khác nhau (Hình 1. Theo đó, việc tối ưu hóa cấu trúc/sự phân tán của chất độn có thể cải thiện tính dẫn nhiệt của vật liệu tổng hợp polime bằng cách tạo ra màng dẫn nhiệt của chất độn trên nền polime. Sự vận chuyển phonon Sự vận chuyển phonon Lấp đầy Lấp đầy Sự tán xạ phonon Sự tán xạ phonon Mối hàn Mối hàn Hình 1.

Điện trở nhiệt bề mặt 1. Điện trở nhiệt bề mặt của vật liệu hai chiều (2D) liền kề Nhiệt trở bề mặt có thể có tác động tiêu cực đến tính dẫn nhiệt của vật liệu tổng hợp nano. Để hiểu được quá trình truyền nhiệt qua cấu trúc của vật liệu tổng hợp polime dựa trên vật liệu 2D, cần nghiên cứu kĩ lưỡng quá trình truyền nhiệt ở cấp độ nano. Mô phỏng động lực học phân tử được dùng để nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt trong vật liệu 2D, ví dụ như nhiệt trở bề mặt.

Trong khi đó, độ dẫn nhiệt của vật liệu 2D và điện trở biên nhiệt tại bề mặt của vật liệu 2D liền kề được thể hiện bằng cách sử dụng kĩ thuật động lực học phân tử không cân bằng (NEMD_Non-Equilibrium Molecular Dynamics) và thuật toán Müller-Plathe [16].5 minh hoạ luồng nhiệt được truyền thông qua một tấm vật liệu 2D. Tấm vật liệu 2D được mô hình hóa thành các tấm cụ thể với các vùng nóng và vùng lạnh. Vùng nóng nằm ở giữa tấm, trong khi vùng lạnh nằm ở hai đầu của tấm. Thông lượng nhiệt đã biết được truyền qua tấm có chiều dài hữu hạn.

Nhiệt truyền từ vùng nóng sang vùng lạnh để cân bằng chênh lệch nhiệt độ. Gradient nhiệt độ có thể được xác định giữa vùng nóng và vùng lạnh và tổng năng lượng trong quá trình truyền nhiệt có thể được chuyển đổi và tính toán. Khi hệ đạt đến trạng thái ổn định cuối cùng, độ dẫn nhiệt có thể được tính theo tỉ lệ của thông lượng nhiệt và gradient nhiệt độ. Sơ đồ dòng nhiệt qua một tấm vật liệu 2D riêng lẻ.

Giả định vùng màu đỏ là vùng nhiệt độ cao hơn vùng xanh lam và do đó có sự truyền nhiệt từ vùng đỏ sang vùng xanh. Mũi tên chỉ hướng truyền nhiệt giữa vùng nóng và vùng lạnh [17]. 10 Cấu hình cân bằng nhiệt thu được cho cấu trúc ba tấm (Hình 1. Sự gián đoạn về nhiệt độ xảy ra ở mặt phân cách giữa hai tấm vật liệu 2D liền kề thể hiện ở sự hiện diện của nhiệt trở biên và cũng có sự chênh lệch đáng kể về nhiệt độ.