Nghiên Cứu Chế Tạo và Khảo Sát Tính Chất Kem Tản Nhiệt Silicon Chứa Graphene Nanoplatelets

Nghiên cứu chế tạo kem tản nhiệt silicon với graphene nanoplatelets, khảo sát tính chất và ứng dụng trong công nghệ tản nhiệt hiệu quả.

• Tác giả: Mai Thị Phƣợng
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Hùng Thắng
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Và Khảo Sát Tính Chất Kem Tản Nhiệt Silicon Chứa Thành Phần Graphene Nanoplatelets
• Loại tài liệu: Luận văn tốt nghiệp cao học
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan về vật liệu cácbon cấu trúc nano
• 1.2. Các vật liệu cácbon cấu trúc nano
• 1.3. Vật liệu vật liệu Graphene
• 1.4. Tính chất nhiệt của vật liệu graphene
• 1.5. Ứng dụng của vật liệu graphene
• 1.6. Tổng quan về kem tản nhiệt
• 1.7. Vật liệu tiếp giáp
• 1.8. Phân loại vật liệu tiếp giáp
• 1.9. Thành phần và tính chất kem tản nhiệt
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Đề xuất ứng dụng graphene trong kem tản nhiệt
• 2.2. Các hóa chất và thiết bị sử dụng chế tạo vật liệu
• 2.2.1. Các hóa chất và vật liệu sử dụng
• 2.2.2. Các trang thiết bị
• 2.3. Phương pháp chế tạo
• 2.3.1. Phương pháp biến tính Gr-COOH
• 2.3.2. Quy trình chế tạo kem tản nhiệt graphene
• 2.4. Các phương pháp phân tích và khảo sát tính chất vật liệu
• 2.4.1. Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM)
• 2.4.2. Phổ tán xạ Raman
• 2.4.3. Phổ hồng ngoại biến đổi fourier
• 2.4.4. Phương pháp đo độ dẫn nhiệt THB-100
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả biến tính vật liệu graphene
• 3.2. Kết quả phân tán graphene trong nền kem silicon
• 3.3. Kết quả khảo sát độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt
• 3.4. Kết quả mô hình tính toán lý thuyết
• 3.5. Kết quả thử nghiệm tản nhiệt cho bộ xử lý Intel Core i5
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Kem Tản Nhiệt Graphene Giới Thiệu Tổng Quan Và Tiềm Năng Lớn

Kem tản nhiệt là vật liệu quan trọng trong việc duy trì hiệu suất và độ bền của linh kiện điện tử. Với sự phát triển của công nghệ vi điện tử, nhu cầu tản nhiệt hiệu quả ngày càng tăng. Kem tản nhiệt truyền thống thường sử dụng các chất kết dính có độ dẫn nhiệt thấp, làm giảm hiệu quả tản nhiệt. Nghiên cứu này tập trung vào việc cải thiện kem tản nhiệt silicon bằng cách bổ sung graphene nanoplatelets, một vật liệu có độ dẫn nhiệt vượt trội. Mục tiêu là tạo ra một loại kem tản nhiệt hiệu năng cao hơn, đáp ứng yêu cầu ngày càng khắt khe của các thiết bị điện tử hiện đại. Tài liệu gốc chỉ ra rằng: "Do kem tản nhiệt thông thường có chứa rất nhiều chất kết dính với độ dẫn nhiệt thấp làm ảnh hưởng đến tính dẫn nhiệt của toàn bộ kem tản nhiệt."

1.1. Vật Liệu Tản Nhiệt Nano Xu Hướng Phát Triển Mới

Công nghệ nano mang đến những vật liệu mới với đặc tính vượt trội, trong đó có graphene. Graphene nanoplatelets thể hiện tiềm năng lớn trong việc tăng cường độ dẫn nhiệt của vật liệu composite. Việc ứng dụng công nghệ nano vào kem tản nhiệt hứa hẹn mang lại những giải pháp tản nhiệt hiệu quả hơn, giúp cải thiện hiệu suất và tuổi thọ của các thiết bị điện tử. Nghiên cứu và phát triển vật liệu tản nhiệt nano là một xu hướng tất yếu trong bối cảnh công nghệ ngày càng phát triển.

1.2. Tại Sao Chọn Graphene Nanoplatelets Cho Kem Tản Nhiệt

Graphene sở hữu độ dẫn nhiệt cực cao, vượt trội so với nhiều vật liệu khác. Graphene nanoplatelets có diện tích bề mặt lớn, giúp tăng cường tiếp xúc nhiệt giữa các thành phần trong kem tản nhiệt. Việc sử dụng graphene trong kem tản nhiệt có thể cải thiện đáng kể khả năng tản nhiệt, giúp các thiết bị điện tử hoạt động ổn định và bền bỉ hơn. Hơn nữa, graphene nanoplatelets có thể được tổng hợp và xử lý với chi phí tương đối hợp lý, mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi.

II. Vấn Đề Hiệu Quả Tản Nhiệt Kém Của Kem Truyền Thống

Mặc dù kem tản nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc truyền nhiệt từ bề mặt linh kiện đến bộ tản nhiệt, hiệu quả của kem tản nhiệt truyền thống vẫn còn nhiều hạn chế. Các chất kết dính trong kem có độ dẫn nhiệt thấp, tạo ra rào cản cho dòng nhiệt. Ngoài ra, sự phân bố không đều của các hạt dẫn nhiệt trong kem cũng làm giảm hiệu quả tản nhiệt. Vì vậy, cần có những giải pháp mới để cải thiện hiệu suất tản nhiệt của kem tản nhiệt, đặc biệt là trong các ứng dụng đòi hỏi hiệu năng cao. Như tài liệu đã đề cập: "Do bề mặt nguồn nhiệt và bộ phận tản nhiệt có độ mấp mô, không tiếp xúc hoàn toàn với nhau nên hiệu quả tản nhiệt bị giảm đi đáng kể tại lớp tiếp giáp".

2.1. Thành Phần Kem Tản Nhiệt Truyền Thống Và Hạn Chế

Kem tản nhiệt truyền thống thường bao gồm các chất kết dính (như silicon), các hạt dẫn nhiệt (như oxit kim loại), và các phụ gia khác. Tuy nhiên, chất kết dính silicon có độ dẫn nhiệt tương đối thấp, làm giảm hiệu quả tản nhiệt tổng thể. Các hạt dẫn nhiệt có thể không phân tán đều trong nền kem, tạo ra các vùng cục bộ có điện trở nhiệt cao. Những hạn chế này làm giảm khả năng tản nhiệt của kem, đặc biệt trong các ứng dụng công suất cao.

2.2. Ảnh Hưởng Của Độ Nhớt Kem Tản Nhiệt Đến Tản Nhiệt

Độ nhớt kem tản nhiệt ảnh hưởng đến khả năng lấp đầy các khe hở siêu nhỏ giữa bề mặt linh kiện và bộ tản nhiệt. Nếu kem quá đặc, nó có thể không lấp đầy hoàn toàn các khe hở, tạo ra các điểm nóng. Nếu kem quá loãng, nó có thể bị tràn ra ngoài hoặc chảy đi sau một thời gian sử dụng. Độ nhớt tối ưu là yếu tố quan trọng để đảm bảo kem tản nhiệt hoạt động hiệu quả và ổn định trong thời gian dài. Cần phải cân bằng giữa khả năng lấp đầy khe hở và khả năng duy trì vị trí của kem.

2.3. Sự Ổn Định Nhiệt Yếu Tố Quan Trọng Của Kem Tản Nhiệt

Kem tản nhiệt cần duy trì ổn định nhiệt trong quá trình hoạt động, không bị phân hủy hoặc biến đổi tính chất ở nhiệt độ cao. Sự phân hủy của kem có thể làm giảm độ dẫn nhiệt, tăng điện trở nhiệt, và thậm chí gây ăn mòn bề mặt linh kiện. Do đó, khả năng chịu nhiệt kem tản nhiệt là một yếu tố quan trọng cần được xem xét khi lựa chọn và sử dụng kem tản nhiệt.

III. Phương Pháp Biến Tính Graphene Nanoplatelets Cải Thiện Phân Tán

Để graphene nanoplatelets phân tán tốt trong nền silicon, cần thực hiện biến tính bề mặt. Biến tính bằng nhóm chức -COOH giúp tăng cường tương tác giữa graphene và silicon, cải thiện độ phân tán và ổn định của graphene trong kem. Quá trình này bao gồm các bước xử lý hóa học để gắn nhóm -COOH lên bề mặt graphene. Các phép đo phổ Raman và FTIR được sử dụng để xác định sự biến đổi cấu trúc và liên kết của graphene sau khi biến tính. Theo nghiên cứu, việc biến tính giúp "biến đổi của cấu trúc và xác định các liên kết của nhóm chức thông qua các phéo đo phổ Raman và phổ FTIR".

3.1. Tổng Hợp Graphene Nanoplatelets Và Quy Trình Biến Tính

Việc tổng hợp graphene nanoplatelets có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau, như bóc tách cơ học, oxy hóa khử, hoặc CVD. Sau khi tổng hợp, graphene cần được biến tính bề mặt để cải thiện độ phân tán trong nền kem. Quy trình biến tính thường bao gồm các bước oxy hóa để tạo ra các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt graphene, sau đó gắn nhóm -COOH thông qua các phản ứng hóa học.

3.2. Đánh Giá Độ Phân Tán Graphene Bằng Kính Hiển Vi Điện Tử Quét

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là công cụ hiệu quả để đánh giá phân tán graphene nanoplatelets trong nền kem tản nhiệt. Ảnh SEM cho phép quan sát trực tiếp sự phân bố của graphene trong kem, xác định kích thước và hình dạng của các hạt graphene, và phát hiện các cụm graphene. Độ phân giải cao của SEM giúp đánh giá chính xác độ phân tán của graphene ở quy mô nanomet.

IV. Nghiên Cứu Khảo Sát Độ Dẫn Nhiệt Kem Chứa Graphene Nanoplatelets

Độ dẫn nhiệt là một trong những thông số quan trọng nhất của kem tản nhiệt. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp đo nhiệt THB để xác định độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt chứa graphene nanoplatelets. Các mẫu kem được chế tạo với các nồng độ graphene khác nhau và thời gian nghiền khác nhau. Kết quả đo được so sánh với kem tản nhiệt silicon thông thường để đánh giá hiệu quả của việc bổ sung graphene.

4.1. Phương Pháp Đo Độ Dẫn Nhiệt THB 100 Và Độ Chính Xác

Phương pháp đo độ dẫn nhiệt THB-100 là một phương pháp dựa trên nguyên lý nguồn nhiệt quá độ. Nó cho phép đo độ dẫn nhiệt của vật liệu một cách nhanh chóng và chính xác. Độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm chất lượng của thiết bị đo, điều kiện môi trường, và quy trình đo. Cần thực hiện các phép đo lặp lại và kiểm tra sai số để đảm bảo tính tin cậy của kết quả.

4.2. Ảnh Hưởng Của Tỷ Lệ Graphene Trong Kem Tản Nhiệt

Tỷ lệ graphene trong kem tản nhiệt có ảnh hưởng lớn đến độ dẫn nhiệt của kem. Khi tăng tỷ lệ graphene, độ dẫn nhiệt của kem thường tăng lên, nhưng đến một mức nào đó có thể đạt đến điểm bão hòa. Việc tăng quá nhiều graphene có thể làm giảm độ nhớt của kem, gây khó khăn trong quá trình sử dụng. Cần tối ưu hóa tỷ lệ graphene để đạt được độ dẫn nhiệt cao nhất mà vẫn đảm bảo các tính chất cơ lý khác của kem.

V. Ứng Dụng Thử Nghiệm Tản Nhiệt Cho Vi Xử Lý Intel Core i5

Để đánh giá hiệu quả thực tế của kem tản nhiệt graphene, thử nghiệm tản nhiệt cho vi xử lý Intel Core i5 được thực hiện. Nhiệt độ của CPU được theo dõi trong quá trình hoạt động với các tải khác nhau. Kết quả cho thấy kem tản nhiệt graphene giúp giảm nhiệt độ CPU so với kem tản nhiệt silicon thông thường, chứng minh khả năng tản nhiệt vượt trội của nó. Dữ liệu được thu thập và phân tích để so sánh hiệu năng và đánh giá tiềm năng ứng dụng. Theo tài liệu gốc: "Kết quả thử nghiệm ứng dụng kem tản nhiệt graphene cho vi xử lý Intel Core i5 cho thấy hiệu quả cũng như tiềm năng ứng dụng lớn trong tản cho CPU nói riêng và các linh kiện, thiết bị điện tử công suất lớn nói chung".

5.1. Thiết Lập Thử Nghiệm Và Phần Mềm Đo Nhiệt Độ CPU

Thử nghiệm được thực hiện trên một hệ thống máy tính với vi xử lý Intel Core i5. Phần mềm đo nhiệt độ CPU, như Core Temp, được sử dụng để theo dõi nhiệt độ của các lõi CPU trong thời gian thực. Các thông số khác của hệ thống, như tốc độ quạt tản nhiệt, cũng được ghi lại để đảm bảo tính nhất quán của thử nghiệm. Cần kiểm soát các yếu tố ngoại vi để đảm bảo kết quả đo chính xác và khách quan.

5.2. So Sánh Nhiệt Độ CPU Khi Sử Dụng Kem Tản Nhiệt Graphene

Kết quả thử nghiệm cho thấy nhiệt độ CPU khi sử dụng kem tản nhiệt graphene thấp hơn so với khi sử dụng kem tản nhiệt silicon thông thường. Sự khác biệt về nhiệt độ thể hiện rõ hơn khi CPU hoạt động với tải nặng. Điều này chứng minh rằng kem tản nhiệt graphene có khả năng tản nhiệt hiệu quả hơn, giúp duy trì nhiệt độ CPU ở mức an toàn và ổn định.

VI. Kết Luận Graphene Nanoplatelets Tương Lai Của Kem Tản Nhiệt

Nghiên cứu này đã chứng minh tiềm năng của graphene nanoplatelets trong việc cải thiện hiệu suất tản nhiệt của kem tản nhiệt silicon. Việc biến tính bề mặt graphene giúp tăng cường độ phân tán và ổn định của nó trong kem. Kem tản nhiệt graphene cho thấy khả năng tản nhiệt vượt trội trong thử nghiệm thực tế trên vi xử lý Intel Core i5. Nghiên cứu này mở ra hướng phát triển mới cho vật liệu tản nhiệt tiên tiến, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của các thiết bị điện tử hiện đại. Như đã kết luận trong tài liệu nghiên cứu: "Việc nghiên cứu và tìm ra phương pháp, điều kiện tối ưu để chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần graphene có ý nghĩa hết sức quan trọng, nhằm đáp ứng những yêu cầu về mặt khoa học, làm chủ được quy trình và công nghệ chế tạo vật liệu".

6.1. Đánh Giá Ưu Điểm Và Hạn Chế Của Kem Tản Nhiệt Graphene

Kem tản nhiệt graphene có nhiều ưu điểm, như độ dẫn nhiệt cao, khả năng tản nhiệt hiệu quả, và tiềm năng ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên, nó cũng có một số hạn chế, như chi phí sản xuất có thể cao hơn so với kem tản nhiệt silicon thông thường, và cần tối ưu hóa quy trình biến tính để đảm bảo độ phân tán tốt của graphene. Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển để khắc phục những hạn chế này và tận dụng tối đa tiềm năng của kem tản nhiệt graphene.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Vật Liệu Tản Nhiệt Hiệu Quả

Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình biến tính graphene, giảm chi phí sản xuất, và cải thiện độ bền của kem tản nhiệt. Nghiên cứu cũng có thể mở rộng sang các loại vật liệu tản nhiệt khác, như ống nanô cácbon, hoặc các vật liệu composite khác. Mục tiêu cuối cùng là tạo ra những vật liệu tản nhiệt hiệu quả hơn, giá thành hợp lý hơn, và thân thiện với môi trường hơn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ vi điện tử và nano điện tử phát triển nhanh chóng, các linh kiện điện tử công suất cao như điốt phát quang công suất cao (HB-LED) và vi xử lý máy tính (CPU) ngày càng tiêu tốn nhiều năng lượng và giải phóng nhiệt lượng lớn trong quá trình hoạt động. Việc quản lý nhiệt hiệu quả trở thành yếu tố then chốt để nâng cao tuổi thọ, hiệu suất và công suất của các thiết bị này. Theo ước tính, lớp tiếp giáp giữa nguồn nhiệt và bộ phận tản nhiệt thường có độ mấp mô, không tiếp xúc hoàn toàn, dẫn đến hiệu quả tản nhiệt giảm đáng kể do sự tồn tại của các khe hở chứa không khí với độ dẫn nhiệt thấp. Do đó, kem tản nhiệt được sử dụng như một lớp trung gian nhằm lấp đầy các khe hở này, cải thiện hiệu quả truyền nhiệt.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là chế tạo và khảo sát tính chất của kem tản nhiệt silicon chứa thành phần graphene nanoplatelets (GNP) nhằm tăng cường hệ số dẫn nhiệt của kem tản nhiệt, từ đó nâng cao hiệu quả tản nhiệt cho các linh kiện điện tử công suất lớn. Nghiên cứu tập trung vào biến tính graphene với nhóm chức –COOH để cải thiện khả năng phân tán trong nền silicon, khảo sát ảnh hưởng của nồng độ graphene và thời gian nghiền bi năng lượng cao đến tính chất kem, đồng thời đánh giá hiệu quả tản nhiệt thực tế trên vi xử lý Intel Core i5.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội trong năm 2019, với các phương pháp phân tích hiện đại như FESEM, phổ Raman, FTIR và thiết bị đo độ dẫn nhiệt THB-100. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu tản nhiệt hiệu quả, góp phần nâng cao tuổi thọ và hiệu suất hoạt động của các thiết bị điện tử công suất lớn, đồng thời mở ra hướng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp điện tử và công nghệ nano.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về vật liệu cácbon cấu trúc nano, đặc biệt là graphene – vật liệu 2D có cấu trúc tổ ong với các nguyên tử cacbon liên kết sp2, mang lại tính chất cơ lý và nhiệt ưu việt. Graphene có độ dẫn nhiệt lên đến khoảng 5000 W/m.K, vượt trội so với các vật liệu truyền thống như bạc (406 W/m.K) hay đồng (385 W/m.K). Tính chất này làm graphene trở thành ứng viên tiềm năng trong việc cải thiện hiệu suất tản nhiệt.

Ngoài ra, các mô hình tính toán lý thuyết như mô hình Nan và mô hình Murshed được áp dụng để dự đoán và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt chứa graphene, bao gồm các tham số như trở kháng nhiệt tại giao diện (TBR) và hệ số dẫn nhiệt hiệu quả (Ki). Các khái niệm chính bao gồm:

• Biến tính hóa học graphene với nhóm –COOH: nhằm tăng khả năng phân tán và tương tác với nền silicon.
• Phân tán vật liệu nano trong nền polymer: ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất vật liệu composite.
• Đo và mô hình hóa độ dẫn nhiệt: đánh giá hiệu quả truyền nhiệt của kem tản nhiệt.
• Hiệu quả tản nhiệt thực tế trên linh kiện điện tử: đo nhiệt độ CPU khi sử dụng kem tản nhiệt graphene.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu kem tản nhiệt silicon chứa graphene nanoplatelets được chế tạo trong phòng thí nghiệm của Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội. Cỡ mẫu khoảng 0,2-10 gram cho mỗi lần nghiền, với các nồng độ graphene từ 0,25% đến 1% khối lượng và thời gian nghiền bi năng lượng cao từ 0,5 đến 4 giờ.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM): quan sát hình thái và phân bố graphene trong kem.
• Phổ tán xạ Raman: xác định cấu trúc và biến đổi của graphene trước và sau biến tính.
• Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): xác định sự xuất hiện nhóm chức –COOH trên bề mặt graphene.
• Đo độ dẫn nhiệt THB-100: đánh giá hệ số dẫn nhiệt của kem tản nhiệt.
• Thử nghiệm tản nhiệt thực tế: sử dụng phần mềm Core Temp 1.2-64 bit và cảm biến nhiệt độ tích hợp trên vi xử lý Intel Core i5 để đo nhiệt độ khi sử dụng kem tản nhiệt graphene.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2019, bao gồm các giai đoạn biến tính graphene, chế tạo kem tản nhiệt, phân tích tính chất vật liệu và thử nghiệm ứng dụng thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Biến tính graphene với nhóm –COOH thành công: Kết quả phổ Raman cho thấy sự xuất hiện dải D tại 1340 cm⁻¹ sau biến tính, chứng tỏ sự gia tăng khuyết tật do gắn nhóm chức. Tỷ lệ cường độ ID/IG tăng, xác nhận sự chuyển đổi cácbon sp2 sang sp3. Phổ FTIR ghi nhận các đỉnh đặc trưng của nhóm –COOH ở 1708 cm⁻¹ (C=O) và 2930 cm⁻¹ (–OH), khẳng định sự gắn kết nhóm chức trên bề mặt graphene.

2. Phân tán graphene trong kem silicon tối ưu ở thời gian nghiền 2-3 giờ: Qua quan sát FESEM, graphene nanoplatelets phân bố đồng đều, không tạo cụm lớn, giúp tăng diện tích tiếp xúc và cải thiện tính dẫn nhiệt. Thời gian nghiền quá ngắn (<1 giờ) hoặc quá dài (>3,5 giờ) làm giảm hiệu quả phân tán do chưa đủ hoặc quá nghiền gây tái kết tụ.

3. Độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt tăng rõ rệt với nồng độ graphene: Đo bằng thiết bị THB-100 cho thấy kem chứa 1% Gr-COOH có độ dẫn nhiệt đạt khoảng 3,45 W/m.K, tăng 25% so với kem silicon không chứa graphene (khoảng 2,7 W/m.K). Độ dẫn nhiệt tăng theo nồng độ graphene và thời gian nghiền, tuy nhiên độ nhớt cũng tăng, ảnh hưởng đến khả năng thi công.

4. Hiệu quả tản nhiệt thực tế trên vi xử lý Intel Core i5 được cải thiện: Khi sử dụng kem tản nhiệt chứa graphene, nhiệt độ bão hòa của CPU giảm khoảng 5-7°C so với kem silicon thông thường. Theo mô hình Arrhenius, giảm nhiệt độ này có thể kéo dài tuổi thọ CPU lên đến 30-40%. Kết quả này được đo trong điều kiện môi trường ổn định 28°C và tải CPU 100%.

Thảo luận kết quả

Sự thành công trong biến tính graphene với nhóm –COOH giúp tăng khả năng tương tác và phân tán trong nền silicon, tránh hiện tượng kết tụ hạt lớn gây giảm hiệu quả dẫn nhiệt. Kết quả FESEM và phổ Raman, FTIR đồng thuận với các nghiên cứu trước đây về biến tính graphene nhằm cải thiện tính chất vật liệu composite.

Độ dẫn nhiệt tăng lên rõ rệt khi bổ sung graphene phù hợp với mô hình lý thuyết Nan và Murshed, cho thấy vai trò quan trọng của cấu trúc và kích thước hạt trong việc thiết lập mạng dẫn nhiệt hiệu quả. Tuy nhiên, cần cân bằng giữa độ dẫn nhiệt và độ nhớt để đảm bảo tính thi công và độ bền cơ học của kem.

Hiệu quả tản nhiệt thực tế trên CPU Intel Core i5 chứng minh tiềm năng ứng dụng của kem tản nhiệt graphene trong các thiết bị điện tử công suất lớn. Dữ liệu nhiệt độ có thể được trình bày qua biểu đồ nhiệt độ theo thời gian hoạt động, so sánh giữa kem silicon và kem graphene, minh họa rõ ràng sự cải thiện hiệu suất tản nhiệt.

So với các nghiên cứu khác về kem tản nhiệt chứa vật liệu nano như oxit kim loại hay CNTs, graphene nanoplatelets cho thấy ưu thế vượt trội về độ dẫn nhiệt và khả năng phân tán, đồng thời giữ được tính ổn định nhiệt và cơ học.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình biến tính graphene: Áp dụng phương pháp biến tính hóa học với nhóm –COOH để tăng khả năng phân tán, giảm hiện tượng kết tụ. Thời gian và nhiệt độ biến tính nên được kiểm soát nghiêm ngặt để đạt hiệu quả cao nhất. Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm vật liệu nano, timeline 3-6 tháng.

2. Kiểm soát thời gian nghiền bi năng lượng cao trong khoảng 2-3 giờ: Đảm bảo phân tán đồng đều graphene trong nền silicon, tối ưu hóa độ dẫn nhiệt và độ nhớt của kem. Chủ thể thực hiện: nhà sản xuất kem tản nhiệt, timeline 1-2 tháng.

3. Phát triển công nghệ sản xuất kem tản nhiệt graphene quy mô công nghiệp: Nghiên cứu mở rộng quy mô sản xuất, đảm bảo tính đồng nhất và ổn định của sản phẩm. Chủ thể thực hiện: doanh nghiệp công nghệ vật liệu, timeline 12-18 tháng.

4. Ứng dụng thử nghiệm kem tản nhiệt graphene trong các thiết bị điện tử công suất lớn: Thực hiện các thử nghiệm thực tế trên CPU, LED công suất cao, thiết bị laser để đánh giá hiệu quả và độ bền lâu dài. Chủ thể thực hiện: các trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ, timeline 6-12 tháng.

5. Nghiên cứu bổ sung về ảnh hưởng của nồng độ graphene và các chất phụ gia khác: Tìm kiếm sự kết hợp tối ưu giữa graphene và các vật liệu dẫn nhiệt khác để nâng cao hiệu quả tản nhiệt. Chủ thể thực hiện: viện nghiên cứu vật liệu, timeline 6-9 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành vật liệu nano và kỹ thuật vật liệu: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về biến tính graphene, phương pháp chế tạo và phân tích kem tản nhiệt, hỗ trợ phát triển nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực vật liệu nano.

2. Doanh nghiệp sản xuất và phát triển vật liệu tản nhiệt: Thông tin về quy trình chế tạo, tối ưu hóa phân tán graphene và đánh giá hiệu quả tản nhiệt giúp cải tiến sản phẩm, nâng cao chất lượng và cạnh tranh trên thị trường.

3. Kỹ sư và chuyên gia trong ngành công nghiệp điện tử và vi mạch: Hiểu rõ về vai trò của kem tản nhiệt chứa graphene trong quản lý nhiệt, từ đó lựa chọn vật liệu phù hợp để nâng cao hiệu suất và tuổi thọ thiết bị.

4. Các tổ chức nghiên cứu và phát triển công nghệ cao: Cơ sở dữ liệu thực nghiệm và mô hình lý thuyết trong luận văn hỗ trợ phát triển các dự án nghiên cứu ứng dụng graphene trong công nghệ tản nhiệt và vật liệu composite.

Câu hỏi thường gặp

1. Graphene nanoplatelets có ưu điểm gì so với các vật liệu nano khác trong kem tản nhiệt?
   Graphene nanoplatelets có độ dẫn nhiệt rất cao (~5000 W/m.K), diện tích bề mặt lớn và khả năng phân tán tốt sau biến tính, giúp tạo mạng dẫn nhiệt hiệu quả hơn so với oxit kim loại hay CNTs. Ví dụ, kem chứa 1% graphene tăng độ dẫn nhiệt lên 25% so với kem silicon thông thường.

2. Tại sao cần biến tính graphene với nhóm –COOH?
   Biến tính với nhóm –COOH giúp tăng khả năng tương tác và phân tán graphene trong nền silicon, tránh hiện tượng kết tụ hạt lớn làm giảm hiệu quả dẫn nhiệt. Phổ FTIR và Raman đã xác nhận sự gắn kết nhóm chức này trên bề mặt graphene.

3. Thời gian nghiền bi năng lượng cao ảnh hưởng thế nào đến tính chất kem tản nhiệt?
   Thời gian nghiền từ 2 đến 3 giờ được xác định là tối ưu để phân tán graphene đồng đều, tăng độ dẫn nhiệt mà không làm tăng quá mức độ nhớt. Nghiền quá ngắn hoặc quá dài đều làm giảm hiệu quả phân tán và tính chất vật liệu.

4. Kem tản nhiệt graphene có thể ứng dụng cho những thiết bị nào?
   Kem tản nhiệt graphene phù hợp cho các linh kiện điện tử công suất lớn như CPU máy tính, điốt phát quang công suất cao (LED), thiết bị laser và các module điện tử cần quản lý nhiệt hiệu quả để nâng cao tuổi thọ và hiệu suất.

5. Hiệu quả tản nhiệt của kem graphene được đánh giá như thế nào trên vi xử lý?
   Thử nghiệm trên vi xử lý Intel Core i5 cho thấy kem tản nhiệt chứa graphene giúp giảm nhiệt độ bão hòa CPU khoảng 5-7°C so với kem silicon thông thường, tương đương với việc kéo dài tuổi thọ thiết bị lên đến 30-40% theo mô hình Arrhenius.

Kết luận

• Luận văn đã thành công trong việc biến tính graphene nanoplatelets với nhóm –COOH, cải thiện khả năng phân tán trong kem silicon.
• Thời gian nghiền bi năng lượng cao từ 2 đến 3 giờ là điều kiện tối ưu để phân tán graphene đồng đều, nâng cao độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt.
• Kem tản nhiệt chứa 1% graphene nanoplatelets đạt độ dẫn nhiệt khoảng 3,45 W/m.K, tăng 25% so với kem silicon không chứa graphene.
• Thử nghiệm thực tế trên vi xử lý Intel Core i5 cho thấy kem graphene giảm nhiệt độ CPU 5-7°C, góp phần kéo dài tuổi thọ thiết bị.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ sản xuất kem tản nhiệt graphene quy mô công nghiệp và ứng dụng rộng rãi trong quản lý nhiệt cho các thiết bị điện tử công suất lớn.

Tiếp theo, cần triển khai nghiên cứu mở rộng về phối hợp vật liệu nano, tối ưu quy trình sản xuất và thử nghiệm ứng dụng thực tế trên các thiết bị đa dạng. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm phối hợp phát triển để đưa sản phẩm kem tản nhiệt graphene vào ứng dụng công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tên đề tài: “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của kem tản nhiệt Silicon chứa thành phần graphene nanoplatelets” 2. Lý do chọn đề tài: Sự phát triển của công nghệ vi điện tử, nano điện tử ngày nay cho phép các linh kiện điện tử và quang điện tử tăng mạnh cả về mật độ linh kiện, công suất và tốc độ hoạt động. Tuy nhiên các linh kiện điện tử, nhất là các linh kiện điện tử công suất cao như điốt phát quang công suất cao High Brightness LED (HB-LED) hay vi xử lý máy tính (CPU) khi hoạt động trong một thời gian đủ dài sẽ tiêu tốn năng lượng và giải phóng nhiệt lượng lớn.

Do vậy việc cải tiến nâng cao hiệu quả tản nhiệt sẽ giúp kéo dài tuổi thọ, tăng hiệu suất và công suất phát quang của LED, nâng cao tốc độ hoạt động của CPU nói riêng và các linh kiện điện tử công suất khác nói chung. Do bề mặt nguồn nhiệt và bộ phận tản nhiệt có độ mấp mô, không tiếp xúc hoàn toàn với nhau nên hiệu quả tản nhiệt bị giảm đi đáng kể tại lớp tiếp giáp, để khắc phục vấn đề này, người ta bổ sung một lớp kem ở giữa bề mặt nguồn nhiệt và bộ phận tản nhiệt. Độ dẫn nhiệt của lớp kem trở thành yếu tố then chốt quyết định hiệu suất tản nhiệt cho các linh kiện điện tử công suất lớn như điốt phát quang (LED), vi xử lý máy tính (CPU), thiết bị Laser…. Vì vậy, tăng độ dẫn nhiệt cho kem tản nhiệt là vấn đề được nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm phát triển.

Do kem tản nhiệt thông thường có chứa rất nhiều chất kết dính với độ dẫn nhiệt thấp làm ảnh hưởng đến tính dẫn nhiệt của toàn bộ kem tản nhiệt. Để tăng hệ số dẫn nhiệt của kem các vật liệu có hệ số dẫn nhiệt cao như oxit kim loại, các chất vô cơ. được đưa vào nền kem. Tuy nhiên, vật liệu này không có sự phân tán hoàn toàn trong kem, chúng có xu hướng tụ đám trở thành một hạt có đường kính lớn và gây ra các ảnh hưởng xấu trong việc tản nhiệt các linh kiện công suất cao, do đó ảnh hưởng đến hiệu suất dẫn nhiệt của kem tản nhiệt.

Để khắc phục vấn đề này, chúng tôi đề xuất đến phương pháp nghiền bi năng lượng cao để phân tán graphene như chất phụ gia cho kem tản nhiệt trong quá trình làm mát cho các thiết bị điện tử công suất cao như CPU, LED, Laser. 1 Cùng với sự phát triển của công nghệ nanô, nhiều loại vật liệu nanô mới ra đời, trong đó graphene là vật liệu có nhiều tính chất cơ lý ưu việt, đặc biệt chúng có độ dẫn nhiệt lớn kGraphene ~ 5000 W/m.K (so với độ dẫn nhiệt của Ag là 419 W/m. Vì vậy, vật liệu này đã mở ra khả năng ứng dụng trong lĩnh vực tản nhiệt cho các linh kiện và thiết bị điện tử công suất lớn. Dựa vào những kết quả nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu graphene và những thành tựu của các nhóm nghiên cứu trên thế giới, chúng tôi đặt mục tiêu ứng dụng graphene trong kem tản nhiệt cho các linh kiện điện tử, thiết bị công suất lớn.

Do đó tôi chọn hướng nghiên cứu với nội dung: “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của kem tản nhiệt Silicon chứa thành phần graphene nanoplatelets” là đề tài nghiên cứu. Nội dung nghiên cứu Để thực hiện mục tiêu đề ra, luận văn bao gồm các nội dung nghiên cứu chính sau đây: - Biến tính vật liệu graphene với nhóm –COOH, khảo sát sự biến đổi của cấu trúc và xác định các liên kết của nhóm chức thông qua các phéo đo phổ Raman và phổ FTIR. - Nghiên cứu khảo sát sự phân tán của graphene trong nền silicon theo nồng độ (0,25%-1%) và thời gian nghiền từ (0,5h đến 4h) bằng thiết bị nghiền bi năng lượng cao (8000D Mixer/Mill). Xác định điều kiện tối ưu để phân tán vật liệu graphene trong nền kem tản nhiệt.

- Nghiên cứu khảo sát độ dẫn nhiệt của kem với nồng độ Gr-COOH và thời gian nghiền - bằng thiết bị đo nhiệt THB. - Áp dụng mô hình tính toán Nan và mô hình Murshed với kết quả thử nghiệm xác định các yếu tố thiết yếu ảnh hưởng đến việc tăng cường độ dẫn nhiệt hiệu quả TBR và Ki. - Thử nghiệm, đánh giá hiệu quả của kem tản nhiệt graphene cho vi xử lý Intel Come i5 bằng cách sử dụng phần mềm chuyên dụng Core Temp 1.2-64 bit và cảm biến nhiệt độ tích hợp bên trong bộ vi xử lý để đo nhiệt độ của bộ vi xử lý. Ý nghĩa thực tiễn đề tài Việc nghiên cứu và tìm ra phương pháp, điều kiện tối ưu để chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần graphene có ý nghĩa hết sức quan trọng, nhằm đáp ứng những yêu cầu về mặt khoa học, làm chủ được quy trình và công nghệ chế tạo vật liệu, để chế tạo ra kem tản nhiệt có hệ số dẫn nhiệt cao cho các thiếu bị điện tử công suất lớn.

Việc chế tạo thành công kem tản nhiệt có kệ số dẫn nhiệt cao với thành phần rất nhỏ của graphene có ứng dụng lớn trong thực tiễn, tính thời sự cao và tiềm năng ứng dụng trong quản lý nhiệt cho các thiết bị điện tử công suất lớn. Phƣơng pháp nghiên cứu Luận văn được thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm kết hợp tính toán lý thuyết 6. Bố cục luận văn Luận văn có 3 chương: Chƣơng 1: Giới thiệu về vật liệu graphene, những tính chất ưu việt và các ứng dụng của vật liệu graphene. Tổng quan về các vật liệu giao diện nhiệt, kem tản nhiệt, thành phần, tình hình nghiên cứu trên thế giới về kem tản nhiệt.

Chƣơng 2: Trình bày thực nghiệm chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần graphene và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng quá trình chế tạo kem. Hình thái học và cấu trúc của kem tản nhiệt được khảo sát bằng phương pháp FESEM và Raman. Chúng tôi sử dụng phương pháp đo FTIR để kiểm tra liên kết hóa học graphene sau khi gắn nhóm chức –COOH. Phương pháp đo độ dẫn nhiệt THB và tính toán lý thuyết được sử dụng để khảo sát độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt.

Để kiểm tra hiệu quả tản nhiệt của kem chúng tôi thử nghiệm ứng dụng trong tản nhiệt cho vi xử lý Intel Core i5. Chƣơng 3: Đánh giá các kết quả về graphene biến tính nhóm –COOH, độ phân tán graphene trong kem silicon và độ dẫn nhiệt graphene được đánh giá qua các phép phân tích FESEM, Raman, FTIR, đo độ dẫn nhiệt THB. Kết quả mô hình tính toán lý thuyết được so sánh với kết quả thực nghiệm để xác định các yếu tố TBR và 3 Ki. Kết quả thử nghiệm ứng dụng kem tản nhiệt graphene cho vi xử lý Intel Core i5 cho thấy hiệu quả cũng như tiềm năng ứng dụng lớn trong tản cho CPU nói riêng và các linh kiện, thiết bị điện tử công suất lớn nói chung.

4 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan về vật liệu cácbon cấu trúc nano 1. Các vật liệu cácbon cấu trúc nano Hình 1. Cấu trúc tinh thể của kim cương và graphit Trước năm 1985 cácbon được biết đến với ba dạng thù hình chính là cácbon vô định hình, kim cương và graphit.

Trong đó, cácbon dạng vô định hình là dạng phổ biến nhất, ở dạng này cácbon tự do trong trạng thái phi tinh thể, không có quy luật. Cácbon chủ yếu có cấu trúc tinh thể của graphit nhưng không liên kết lại thành dạng tinh thể lớn. Chủ yếu có màu đen, dễ cháy, xuất hiện nhiều dạng khác nhau trong tự nhiên như than đá, than cốc, than gỗ [10]. Kim cương và graphit là hai dạng thù hình có cấu trúc tinh thể 3 chiều phổ biến của cácbon (hình 1.

Cấu trúc của kim cương có thể được mô tả bằng hai mạng lập phương tâm mặt dịch chuyển đối với nhau theo đường chéo chính một đoạn bằng ¼ đường chéo đó. Kim cương tồn tại ở hai cấu trúc tinh thể cơ bản (lập phương và lục giác) với nhiều tính chất cơ lý ưu việt. Trong dạng cấu trúc lập phương, mỗi nguyên tử cácbon liên kết với bốn nguyên tử cácbon khác ở xung quanh gần nhất bởi bốn liên kết σ ở trạng thái lai hóa sp3, các liên kết này đều là các liên kết cộng hóa trị [27, 28]. Khoảng cách giữa các nguyên tử cácbon trong tinh thể kim cương là 1,544 Å.

Vì năng lượng liên kết giữa các nguyên tử cácbon trong tinh thể kim cương là rất lớn nên kim cương rất cứng và bền. Graphit (hay còn gọi than chì) có cấu trúc lớp, các nguyên tử cácbon ở trạng thái lai hoá sp2 sắp xếp thành các 5 lớp mạng lục giác song song. Liên kết giữa các lớp mạng liên kết với nhau bằng một lực liên kết liên kết Van Der Waals do khoảng cách giữa các lớp là 3,354 Å. Tuy nhiên lực Van Der Waals khá yếu nên các lớp graphit dễ trượt lên nhau.

Bên trong mỗi lớp mỗi một nguyên tử cácbon liên kiết phẳng với ba nguyên tử cácbon khác bên cạnh bằng liên kết cộng hóa trị với góc liên kết là 1200. Khoảng cách giữa các nguyên tử cácbon trong cùng một lớp mạng là 1,42 Å [13]. Cấu trúc cơ bản của fulleren Đến năm 1985, trong khi nghiên cứu về cácbon Kroto và đồng nghiệp đã khám phá ra một tập hợp lớn các nguyên tử cácbon kết tinh dưới dạng phân tử có dạng hình cầu kích thước cỡ nanomet - dạng thù hình này được gọi là Fulleren C60 [22]. Fulleren là tập hợp các nguyên tử cácbon phân bố khép kín dưới dạng hình lục giác, ngũ giác với sắp xếp thành một mặt cầu hoặc mặt elip.

Liên kết chủ yếu giữa các nguyên tử cácbon là liên kết sp2. Ngoài ra có xen lẫn với một vài liên kết sp3, do vậy các nguyên tử cácbon không có tọa độ phẳng mà có dạng mặt cầu hoặc elip. Năm 1990, Kratschmer đã tìm thấy trong sản phẩm muội than tạo ra do sự phóng điện hồ quang giữa 2 điện cực graphit có chứa C60 và các dạng fulleren khác như C70, C80 [8]. Năm 1991, trong quá trình chế tạo fulleren S.

Iijima đã khám phá ra một cấu trúc mới của cácbon với kích thước cỡ nanomet và có dạng hình ống, cấu trúc này được gọi là ống nanô cácbon đa tường (MWCNTs) [25]. Hai năm sau, Iijima và Bethune tiếp tục khám phá ra ống nanô cácbon đơn tường (SWCNT) có đường kính 6 1,4 nm và chiều dài cỡ micromét. Kể từ đó đến nay, có hai loại ống nanô cácbon (CNTs) được biết đến là: CNTs đơn tường (SWCNT) và CNTs đa tường (MWCNTs). Các dạng cấu trúc của CNTs 1.

Vật liệu vật liệu Graphene Hình 1.