新工艺！铜生长石墨烯，提升芯片热扩散

热量散开之后才最容易散发出去。手掌大小的受热表面可以轻松散出热量；同等大小的能量，如果集中在几毫米的小点上，则很难散热。原因在于，热源集中时，局部温度上升速度会超过周边材料的导热排热速度。

现代计算机处理器正面临该难题，芯片产生的热量分布不均、高度局部化。如果热量无法快速排出，会损坏处理器以及周边元器件。液冷板与相变器件可以承载大的热负荷，但如果热量没有先从热点位置横向扩散出去，局部温度梯度依旧会存在。随着电子封装做得越来越薄，功率愈发集中，热点周边紧邻的材料，在散热方案中的重要性持续提升。

石墨烯看起来是适配该场景的优质材料，它在表面横向导热方面性能极为优异，这也让石墨烯散热成为热门研究方向。但石墨烯垂直导热的能力却差很多。因此单纯把石墨烯添加到散热器件中，并不能自动改善散热效果。石墨烯层的摆放方式很关键，要让热量主要沿着石墨烯层传导，而不是垂直穿透该层。

来自伊利诺伊大学芝加哥分校的研究团队在《Advanced Functional Materials》论文中提出了一种新思路。他们以铜作为基底，直接在铜表面生长多层石墨烯。设计思路为：铜负责垂直传导热量，石墨烯则提供额外通路实现热量横向铺展。

研究人员将这种层状结构称为微层压板。理论上，它可以拉平热点周边的温度。但这里存在一个关键制约：两层材料的排布顺序必须正确。

为验证排布顺序带来的影响，研究人员对两种不同结构做仿真计算。第一种：石墨烯层直接面向热点，热量需要先穿过石墨烯，再进入铜层；第二种：热量先经过铜层，再抵达处于低温侧的石墨烯。二者性能差距十分明显。当石墨烯直面热点时，整套系统的散热表现甚至不如纯铜。而采用第二种排布，石墨烯就能发挥自身优势：热量抵达散热界面之前，先依靠石墨烯完成横向扩散。

图注：(a) 镜面铜样品经过交叉网格激光烧蚀，在表面生成均匀的微 / 纳米纹理结构。(b) 先使用柠檬酸、再使用乙醇进行湿法化学刻蚀，去除激光烧蚀过程生成的氧化铜纳米颗粒。(c) 随后采用化学气相沉积（CVD）工艺，在粗糙化结构表面包覆一层均匀的多层石墨烯。表面轮廓测试显示：(d) 去除氧化颗粒前的烧蚀表面、(e) 去除纳米颗粒后的同一块表面，二者面平均粗糙度（Sa）数值接近；(f) 在表面生长石墨烯之后，可以观测到粗糙度出现明显下降。

之后研究人员开展实验，验证该结构的实际扩热效果。在实验最高功率条件下，对比纯铜样品，覆石墨烯铜材可以让热点位置的温差降低约5℃。模型仿真显示，铜基底越薄，增益效果越显著；对于1毫米厚的均热板，降温提升幅度最高可达约10℃。

该研究结果具备现实意义：电子产品元器件持续变薄，在热量抵达散热系统之前，可供扩散集中热量的材料余量越来越少。

到此阶段，研究人员仅将覆石墨烯铜用于热点的热量扩散。他们还希望验证这套思路是否可用于相变冷凝散热，也就是依靠液体汽化吸热、再冷凝变回液态带走热量的散热方式。

这时，表面纹理的作用开始凸显。散热表面并不总是平整的。可以参考散热器鳍片，鳍片增大了热量向外散发的表面积。在微观尺度，工程师可以通过在表面加工出微型沟槽与棱脊实现类似效果。这些微结构同样会改变液体在表面的行为特性。

该部分实验中，研究人员先用激光对铜做粗糙化处理，再在上面生长石墨烯。石墨烯为原位生长，会贴合微观沟槽与棱脊，不会像独立平整薄膜那样架空跨过微结构。这样既保留了纹理表面，又实现石墨烯横向扩热层的制备。

经过激光纹理处理的铜具备强亲水性，液滴会快速在表面铺展开。在相同纹理表面覆盖石墨烯之后，表面变为疏水性，但粘附性很强；液滴容易被钉在原地，不会滚落滑动。对于冷凝散热来说这是一大问题，冷凝散热高度依赖液滴的生成、移动以及脱离表面的过程。

喷涂特氟龙涂层可以解决液滴粘附问题，但会带来新短板：特氟龙导热性能差。该涂层虽然能够维持液滴形态、帮助液滴脱落，却阻碍液滴的热量向下传导至底层铜材。

石墨烯层在这套堆叠结构中就起到关键作用：石墨烯直接铺在特氟龙下方，从每一颗冷凝液滴微小的接触点处，把热量横向散开。对比粗糙度相同、仅喷涂特氟龙的对照组，最优的石墨烯基底样品，冷凝收集量提升约18%，冷凝阶段的传热性能提升约15%。

研究人员进一步测试，这套覆石墨烯表面能否提升完整均热器件的性能，实验选用无芯吸结构的真空腔均热板。传统真空腔均热板依靠多孔芯吸结构，把冷凝后的液态水输送回高温侧再次蒸发。无芯吸版本去掉多孔层，依靠调控液体在内壁表面的运动实现液体回流。

该设计对本次研究十分重要：石墨烯会降低表面亲水性，会干扰传统真空腔均热板的芯吸回流机制。无芯吸方案，让研究人员可以把石墨烯布置在冷凝侧，同时发挥石墨烯横向扩热与促进滴状冷凝的双重作用。

采用石墨烯‑特氟龙复合层作为冷凝面后，该真空腔均热板面内等效热导率达到约1.5×10⁴ W・m⁻¹・K⁻¹，大约是无石墨烯对照组的16倍。该数值代表整套器件的扩热性能，并非石墨烯本征热导率；但足以证明，微层压结构大幅提升了均热板整体的横向散热能力。

该团队表示，这套微层压结构可以适配多种完全不同的散热场景：实现热点扩热、改善滴状冷凝效果、提升整套真空腔均热板性能。研究人员没有把热量扩散与表面调控作为两个独立问题，而是将两类功能整合到同一套层状结构之中。

目前仍有大量工作有待验证：冷凝涂层仅完成12小时测试；全部实验都基于实验室规模的铜样品；这套方案能否迁移到其他导电材料上，也尚未得到证明。但该研究表明：对于铜这类传统导热材料，如果对表层做结构设计，调控热量走向以及冷却流体的行为，材料还可以释放更大的散热潜力。