Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Mai Thị Phƣợng
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT KEM TẢN
NHIỆT SILICON CHỨA THÀNH PHẦN GRAPHENE
NANOPLATELETS
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CAO HỌC
Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano
Mã số: 8440126.01QTD
`
Cán bộ hƣớng dẫn: TS. Bùi Hùng Thắng
GS.TS. Nguyễn Năng Định
HÀ NỘI – 2019
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả trong luận văn được trích dẫn lại từ bài báo đã và sắp được xuất bản của tôi và
các cộng sự. Các số liệu, kết quả này là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày tháng năm 2019
ii
LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Bùi
Hùng Thắng và GS.TS. Nguyễn Năng Định, người đã trực tiếp giao đề tài và tận
tình hướng dẫn tôi hoàn thiện luận văn này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cán bộ của Phòng nanô cácbon và
Trung tâm Ứng dụng và Triển khai Công nghệ đã tạo điều kiện thuận lợi về trang
thiết bị và giúp đỡ tôi nhiệt tình trong quá trình thực hiện luận văn.
Tôi cũng xin bày tỏ long biết ơn sâu sắc tới thầy, cô giáo Trường Đại học
Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã chỉ bảo giảng dạy tôi trong những năm học
qua cũng như hoàn thành luận văn này.
Tôi xin cảm ơn Đề tài Sở Khoa học Công nghệ mã số 01C-0205-2019-3 đã
tài trợ kinh phí thực hiện luận văn này
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ tình cảm với những người thân trong gia đình, bàn
bè và đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ, hỗ trợ tôi về mọi mặt.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Học viên: Mai Thị Phƣợng
iii
MỤC LỤC
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ................................. v
1.1.Tổng quan về vật liệu cácbon cấu trúc nano....................................................... 5
1.1.1.Các vật liệu cácbon cấu trúc nano ................................................................... 5
1.1.2.Vật liệu vật liệu Graphene .............................................................................. 7
1.1.3.Tính chất nhiệt của vật liệu graphene .............................................................. 9
1.1.4.Ứng dụng của vật liệu graphene .................................................................... 11
1.2.Tổng quan về kem tản nhiệt ............................................................................. 15
1.2.1.Vật liệu tiếp giáp .......................................................................................... 15
1.2.2.Phân loại vật liệu tiếp giáp ............................................................................ 17
1.2.3.Thành phần và tính chất kem tản nhiệt .......................................................... 18
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM .......................................................................... 29
2.1. Đề xuất ứng dụng graphene trong kem tản nhiệt ............................................. 29
2.2. Các hóa chất và thiết bị sử dụng chế tạo vật liệu ............................................. 29
2.2.1. Các hóa chất và vật liệu sử dụng .................................................................. 29
2.2.2. Các trang thiết bị ......................................................................................... 30
2.2. Phương pháp chế tạo....................................................................................... 32
2.2.1. Phương pháp biến tính Gr-COOH ................................................................ 32
2.2.2. Quy trình chế tạo kem tản nhiệt graphene .................................................... 33
2.3. Các phương pháp phân tích và khảo sát tính chất vật liệu ............................... 34
2.3.1 Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM) ....................................... 34
2.3.2 Phổ tán xạ Raman ......................................................................................... 35
2.3.3. Phổ hồng ngoại biến đổi fourier ................................................................... 35
2.3.4. Phương pháp đo độ dẫn nhiệt THB-100 ....................................................... 36
iv
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 39
3.1. Kết quả biến tính vật liệu graphene ................................................................. 39
3.2. Kết quả phân tán graphene trong nền kem silicon ........................................... 42
3.3. Kết quả khảo sát độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt ............................................. 46
3.3. Kết quả mô hình tính toán lý thuyết ................................................................ 48
3.4. Kết quả thử nghiệm tản nhiệt cho bộ xử lý Intel Core i5 ................................. 51
KẾT LUẬN ........................................................................................................... 54
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ....................................................... 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 56
v
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Độ dẫn nhiệt của một số vật liệu ................................................................. 10
Bảng 2. Tóm tắt đặc tính các loại vật liệu tiếp giáp ................................................. 17
vi
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể của kim cương và graphit ............................................... 5
Hình 1.2. Cấu trúc cơ bản của fulleren ....................................................................... 6
Hình 1.3. Các dạng cấu trúc của CNTs ...................................................................... 7
Hình 1.4. Graphene - vật liệu có cấu trúc cơ bản (2D) cho các vật liệu cacbon khác
(0D, 1D, và 3D) ........................................................................................................... 7
Hình 1.5. Các liên kết của nguyên tử cácbon trong mạng graphene .......................... 9
Hình 1.6. Cấu trúc transitor FET sử dụng kênh dẫn bằng graphene ........................ 12
Hình 1.7. (a) Màng dẫn điện trong suốt graphene chế tạo bằng phương pháp CVD
và (b) Ứng dụng màng graphene làm màn hình cảm ứng ......................................... 13
Hình 1.8. Sự “bám dính” của các phân tử khí trên bề mặt graphene được sử dụng để
chế tạo cảm biến nhạy khí, cảm biến sinh học .......................................................... 14
Hình 1.9. Bề mặt giao diện của bộ phận nguồn nhiệt và bộ phận tản nhiệt ............. 16
Hình 1.10. Kết quả nghiên cứu của nhóm Qian Wang ............................................. 20
Hình 1.11. Kết quả nghiên cứu của nhóm Wei Yu và mô hình dự đoán lý thuyết
của Nan .................................................................................................................... 21
Hình 1.12. Kết quả nghiên cứu của nhóm Haixu với dự đoán của mô hình
Hamiton- Crosser ...................................................................................................... 21
Hình 1.13. Kết của nghiên cứu nhóm Hongyuan Chen với các loại CNTs khác nhau ..... 22
Hình 1.14. Khảo sát nhiệt độ khi sử dụng kem chứa MWCNTs của nhóm Gou
Yujun .................................................................................................................... 23
Hình 1.15. Kết quả nghiên cứu của nhóm Haiping Hong ........................................ 24
Hình 1.16. Kết quả nghiên cứu của nhóm Wei Yu [41] ........................................... 25
Hình 1.17. Kết quả nghiên cứu của nhóm Xuhua He ............................................... 25
Hình 1.18. Kết quả nghiên cứu của nhóm Weijie Liang .......................................... 26
Hình 1.19. So sánh độ dẫn nhiệt và tăng cường độ dẫn nhiệt của kem nhiệt có và
không có graphene của nhóm Wei Yu [40] .............................................................. 27
vii
Hình 1.20. Kết quả của nhóm Khan MF Shahil (a) Khảo sát độ dẫn nhiêt của TIM
với nồng độ khác nhau. (b) Xác định thực nghiệm sự phụ thuộc độ dẫn nhiệt của
TIM vào nhiệt độ ....................................................................................................... 28
Hình 2.1. Ảnh SEM vật liệu Graphene nanoplatetes sử dụng trong thí nghiệm ...... 29
Hình 2.2. Thiết bị nghiền bi năng lượng cao (8000D Mixer/Mill) .......................... 30
Hình 2.3. Cấu tạo thiết bị nghiền bi năng lượng cao ................................................ 31
Hình 2.4. Quy trình biến tính graphene với nhóm chức –COOH ............................ 32
Hình 2.5. Quy trình chế tạo kem bằng thiết bị nghiền bi năng lượng cao ............... 33
Hình 2.6. Kính hiểu vi điện tử quét phát xạ trường.................................................. 34
Hình 2.7. Thiết bị đo độ dẫn nhiệt ............................................................................ 36
Hình 2.8. Sơ đồ hệ thống làm mát sử dụng kem nhiệt có chứa Gr-COOH.............. 38
Hình 3.1. (a) Kết quả FESEM của graphene nanoplatelets, (b) Mặt cắt của graphene 39
Hình 3.2. Kết quả raman Gr-COOH ......................................................................... 40
Hình 3.3. Kết quả FTIR của graphene và Gr-COOH ............................................... 41
Hình 3.4. (a) Hình ảnh FESEM của kem silicon, (b) phổ EDS của kem silicon ..... 42
Hình 3.5. Hình ảnh mẫu kem được chế tạo với thời gian nghiền khác nhau ........... 43
Hình 3.6. Ảnh FESEM của kem tản nhiệt chứa Gr-COOH theo thời gian nghiền. . 43
Hình 3.7. Ảnh FESEM sự phân tán của graphene trong kem .................................. 44
Hình 3.8. Ảnh FESEM sau khi nung cho thấy rõ sự xuất hiện của graphene bên
cạnh các hạt dẫn nhiệt. .............................................................................................. 45
Hình 3.9. Kết quả Raman của kem nhiệt chứa 1 % Graphene ................................. 45
Hình 3.10. Kết quả độ dẫn nhiệt với thời gian nghiền khác nhau ............................ 46
Hình 3.11. Kết qủa đo độ dẫn nhiệt của kem chứa graphene ................................... 47
Hình 3.12. Kết quả đo độ dẫn nhiệt của kem khi chứa dầu và không dầu. .............. 47
Hình 3.13. Mô hình tính toán Nan ............................................................................ 50
Hình 3.14. Mô hình tính toán của Murshed ............................................................. 51
Hình 3.15. Kết quả khảo sát nhiệt độ bộ vi xử lý theo thời gian hoạt động trong
trường hợp sử dụng kem nhiệt .................................................................................. 52
Hình 3.16. Kết quả độ tăng tuổi thọ của kem tản nhiệt graphene so với kem silicon .. 53
1
PHẦN I: 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 ...
2
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.K). 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.
3. 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 1.10.2-64 bit và
cảm biến nhiệt độ tích hợp bên trong bộ vi xử lý để đo nhiệt độ của bộ vi xử lý.
3
4. 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.
5. 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
4
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.
5
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về vật liệu cácbon cấu trúc nano
1.1.1. Các vật liệu cácbon cấu trúc nano
Hình 1.1. 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 1.3). 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
6
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].
Hình 1.2. 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
7
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).
Hình 1.3. Các dạng cấu trúc của CNTs
1.1.2. Vật liệu vật liệu Graphene
Hình 1.4. Graphene - vật liệu có cấu trúc cơ bản (2D) cho các vật liệu cacbon khác
(0D, 1D, và 3D)
Graphene là một mặt phẳng đơn lớp của những nguyên tử cacbon được sắp xếp
chặt chẽ trong mạng tinh thể hình tổ ong 2 chiều (2D). Graphene được cuộn lại sẽ
tạo nên dạng thù hình fulleren 0D, được quấn lại sẽ tạo nên dạng thù hình ống nanô
8
cácbon 1D, hoặc được xếp chồng lên nhau sẽ tạo nên dạng thù hình graphit 3D
(hình 1.5). Vì đặc điểm trên mà những lý thuyết về graphene đã bắt đầu được
nghiên cứu từ những năm 1940. Năm 1946, P.R. Wallace là người đầu tiên viết về
cấu trúc vùng năng lượng của graphene [4], và đã nêu lên những đặc tính dị thường
của loại vật liệu này. Còn những nghiên cứu về thực nghiệm thì chưa được phát
triển bởi vì các nhà khoa học cho rằng cấu trúc tinh thể 2 chiều với bề dày chỉ bằng
1 nguyên tử không tồn tại và các thiết bị kỹ thuật lúc bấy giờ cũng không thể quan
sát thấy các cấu trúc này
Đến năm 2004, hai nhà khoa học A. Geim và K. Novoselov (Đại học
Manchester, Vương quốc Anh) đã tách thành công đơn lớp graphene với số lượng
lớn từ than chì khối. Đơn lớp graphene được chuyển lên một đế SiO2 bằng quá trình
“tách vi cơ” hoặc còn gọi là “Kỹ thuật băng keo Scotch” [30]. Lớp SiO2 tương tác
yếu và có thể coi như cô lập điện với graphene, do vậy mà lớp graphene được coi là
trung lập và mang những tính chất đặc trưng riêng của chính bản thân nó. Từ đó vật
liệu này đã thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học trên thế giới bởi các
đặc tính vượt trội của nó. Những đóng góp của A. Geim và K. Novoselov đã mang
lại giải Nobel Vật lý cho họ vào năm 2010 [24].
1.1.2.1. Cấu trúc của vật liệu graphene
Về mặt cấu trúc, màng graphene được tạo thành từ các nguyên tử cácbon sắp
xếp theo hình lục giác ở trên một mặt phẳng, đây còn được gọi là cấu trúc tổ ong.
Trong đó mỗi nguyên tử liên kết bởi ba nguyên tử cácbon gần nhất bằng liên kết
cộng hóa trị sigma (σ) bền vững tạo thành sự xen phủ của các trạng thái sp, tương
ứng với trạng thái lai hóa sp2.
Do chỉ có 6 điện tử tạo thành lớp vỏ của nguyên tử cácbon nên chỉ có bốn điện
tử phân bố ở trạng thái 2s và 2p đóng vai trò quan trọng trong việc liên kết hóa học
giữa các nguyên tử với nhau [9]. Các trạng thái 2s và 2p của nguyên tử cácbon lai
hóa với nhau tạo thành 3 trạng thái sp, các trạng thái này định hướng theo ba
phương tạo với nhau một góc 120o. Mỗi trạng thái sp của nguyên tử cácbon này xen
phủ với một trạng thái sp của nguyên tử cácbon khác hình thành nên liên kết cộng
hóa trị sigma (σ) bền vững. Chính các liên kết σ này quy định cấu trúc mạng tinh
9
thể graphene ở hình dạng tổ ong và lý giải tại sao graphene rất bền vững về mặt cơ
học và trơ về mặt hóa học trong mặt phẳng mạng. Ngoài các liên kết sigma, giữa hai
nguyên tử cácbon lân cận còn tồn tại một liên kết pi (π) khác kém bền vững hơn
hình thành do sự xen phủ của các orbital pz không bị lai hóa với các orbital s. Do
liên kết π này yếu và có định hướng không gian vuông góc với các orbital sp nên
các điện tử tham gia liên kết này rất linh động và quy định tính chất điện và quang
của graphene. Hình 1.7 mô hình hóa các liên kết của một nguyên tử cácbon trong
mạng graphene.
Hình 1.5. Các liên kết của nguyên tử cácbon trong mạng graphene
Việc chế tạo thành công vật liệu hai chiều (2D) graphene đã bổ sung đầy đủ hơn
về các dạng thù hình tồn tại trước đó của cácbon là than chì ba chiều (3D), ống nanô
cácbon một chiều (1D) và fulleren không chiều (0D). Ngoài ra, vật liệu graphene
còn có những tính chất cơ, nhiệt, quang tốt hơn hẳn các dạng thù hình trước điều
này đã và đang mở ra những hướng nghiên cứu đầy tiềm năng hứa hẹn trong tương
lai.
1.1.3. Tính chất nhiệt của vật liệu graphene
Vật liệu graphene kể từ khi được phát hiện đã thu hút được sự quan tâm của
nhiều nhà khoa học trong nhiều lĩnh vực khác nhau do chúng có những tính chất vật
lý, hóa học đặc biệt ưu việt [11,32]. Đặc biệt tính chất nhiệt của graphene vượt trội
hơn các vật liệu các ở nhiệt độ bình thường
10
Ở dạng tinh khiết, graphene dẫn nhiệt nhanh hơn bất cứ chất nào khác ở nhiệt
độ thường. Bản thân graphene là chất dẫn nhiệt, độ dẫn nhiệt của graphene được đo
ở nhiệt độ phòng ~ 5000W/mK cao hơn các dạng cấu trúc khác của cácbon là ống
nano cácbon [34], than chì và kim cương. Graphene dẫn nhiệt theo các hướng là
như nhau trên mặt phẳng. Khi mà các thiết bị điện tử ngày càng được thu nhỏ và
mật độ mạch tích hợp ngày càng tăng thì yêu cầu tản nhiệt cho các linh kiện càng
quan trọng. Với khả năng dẫn nhiệt tốt, graphene hứa hẹn sẽ là một vật liệu tiềm
năng cho các ứng dụng trong tương lai. Bảng 1 thống kê độ dẫn nhiệt của một số
vật liệu.
Bảng 1. Độ dẫn nhiệt của một số vật liệu [14]
Vật liệu Độ dẫn nhiệt (W/mK)
Kim cương 1000
Bạc 406,0
Đồng 385,0
Vàng 314
Đồng thau 109,0
Nhôm 205,0
Sắt 79,5
Thép 50,2
Chì 34,7
Thủy ngân 8,3
Đá bang 1,6
Thủy tinh 0,8
Bê tông 0,8
Nước ở 200C 0,6
11
Amiăng 0,08
Sợi thủy tinh 0,04
Gạch chịu nhiệt 0,15
Gạch thô 0,6
Tấm xốp gỗ 0,04
Gỗ rỉ 0,04
Bông khoáng 0,04
Nhựa PE 0,033
Nhựa PU 0,02
Gỗ 0,12-0,04
Không khí ở 00C 0,024
Silica aerogel 0,003
1.1.4. Ứng dụng của vật liệu graphene
Mặc dù chỉ mới bắt đầu phát triển từ năm 2004, nhưng với những tính chất ưu việt
như đã nêu trên, vật liệu graphene đã trở thành tâm điểm cho những nghiên cứu khoa
học trên thế giới và đã được ứng dụng bước đầu trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Chỉ
tính trong vòng khoảng 10 năm trở lại đây, số lượng các công bố về graphene đã tăng
vọt. Không chỉ giới khoa học trong các trường đại học, viện nghiên cứu quan tâm mà
các tập đoàn công nghệ cũng để ý và có nhiều phát minh sáng chế về lĩnh vực này. Độ
dẫn điện, dẫn nhiệt cực tốt, kết hợp với khả năng thay đổi tính chất dẫn điện uyển
chuyển (loại n/loại p, bán dẫn / kim loại), do đó graphene được kỳ vọng là vật liệu điện
tử cho nhiều linh kiện như transitor đóng mở nhanh, mạch tích hợp, làm điện cực cho
pin mặt trời, mạch dẫn điện, v.v... Kết hợp với diện tích bề mặt lớn, graphene có thể sử
dụng làm điện cực trong siêu tụ điện, cảm biến hóa học, pin nhiên liệu. Độ bền cơ học
cao, độ đàn hồi tốt, khả năng hấp thụ ánh sáng nhỏ, graphene cũng đang được tập trung
nghiên cứu trong lĩnh vực màng dẫn điện trong suốt. Màng graphene vừa có độ trong
12
suốt cao, dẫn điện tốt và khả năng biến đổi hình dạng dễ dàng, hơn hẳn những tính chất
của màng ITO (Indium-tin-oxide) truyền thống và sắp bị cạn kiệt. Sau đây là một số
khái quát những ứng dụng tiêu biểu, có khả năng thương mại hóa cao của vật liệu
graphene [4].
Graphene- transistor hiệu ứng trƣờng
Khi mà công nghệ mạch tích hợp trên nền vật liệu Si đang đi tới giới hạn theo định
luật Moore, việc tìm ra một loại vật liệu mới để bổ sung, thay thế Si trở thành một điều
bức thiết. Kể từ khi được tìm ra vào năm 2004, graphene thu hút sự quan tâm mạnh mẽ
của các nhà khoa học trên thế giới. Với độ dẫn điện cao, độ bền cơ học lớn, graphene
đang được tập trung nghiên cứu với mục tiêu ứng dụng trong các linh kiện điện tử, tiêu
biểu là chế tạo các transistor hiệu ứng trường (FET). Transistor hiệu ứng trường (FET)
được chế tạo bằng cách làm nóng bánh xốp SiC để tạo ra một lớp mặt gồm những
nguyên tử cácbon ở dạng graphene. Các cực phát và thu song song được phủ lên trên bề
mặt vật liệu graphene, để lại những rãnh graphene bị bóc trần ở giữa chúng. Tiếp theo,
phủ một màng mỏng cách điện lên trên graphene bị bóc trần mà không làm ảnh hưởng
bất lợi đến những tính chất điện tử của nó. Để làm như vậy, trước tiên ta đặt thêm một
lớp poly-hydroxystrene 10 nm để bảo vệ graphene. Sau đó, một lớp oxit bình thường
được phủ lên trên bề mặt, tiếp theo là một điện cực cổng kim loại. Chiều dài cổng tương
đối lớn, đến 240 nm, nhưng nó có thể thu nhỏ xuống trong tương lai để cải thiện hơn nữa
hiệu suất của dụng cụ.
Hình 1.6. Cấu trúc transitor FET sử dụng kênh dẫn bằng graphene
13
Transistor graphene vừa chế tạo có tần số ngưỡng cao hơn MOSFET silicon tốt
nhất có cùng chiều dài cổng (tần số ngưỡng là tần số mà trên đó một transistor sẽ
chịu sự suy giảm đáng kể hiệu suất của nó). Không giống như đa số FET graphene
khác, các transistor kích thước nano, transistor hiệu ứng trường được chế tạo từ chất
liệu graphene cho thấy các electron có khả năng di chuyển mà không bị tán xạ từ
điện cực nguồn đến điện cực thu ở nhiệt độ phòng.
Màng dẫn điện trong suốt:
Màng dẫn điện trong suốt graphene có độ truyền qua cao trong vùng bước sóng
nhìn thấy và khả năng đàn hồi, uốn cong tốt nên được kỳ vọng là màng điện cực
thay thế màng ITO truyền thống [5]. Hình 1.11 là ảnh chụp màng graphene có kích
thước đường chéo lên đến 75 cm chế tạo bằng phương pháp CVD. Người ta có thể
sử dụng màng graphene trong suốt trong các thiết bị điện tử thế hệ mới như màn
hình cảm ứng, màn hình cong, tế bào quang điện, pin mặt trời hữu cơ dẻo, mực dẫn
điện trong suốt, v.v... Bên cạnh phương pháp CVD, chúng ta có thể chế tạo màng
dẫn điện trong suốt làm bằng graphene từ pha lỏng bằng cách phun phủ dung dịch
chứa graphene phân tán đều lên bề mặt vật liệu nền trong suốt (thủy tinh, nhựa)
khác.
Hình 1.7. (a) Màng dẫn điện trong suốt graphene chế tạo bằng phương pháp CVD
và (b) Ứng dụng màng graphene làm màn hình cảm ứng
14
Một ứng dụng tiềm năng khác của màng trong suốt graphene là làm điện cực trong
màn hình tinh thể lỏng (LCD) cũng như trong đèn LED hữu cơ (OLED). Thông
thường, ngoài những yêu cầu về tính dẫn điện tốt, độ truyền qua cao, các điện cực ôxit
kim loại trong màn hình tinh thể lỏng còn đòi hỏi độ bền hóa học cao nhằm hạn chế sự
khuếch tán của oxy và các ion kim loại, tránh hiện tượng oxy hóa, dẫn đến sự đánh
thủng điện môi ở điện thế thấp. Trong màn hình tinh thể lỏng, khi các ion kim loại
khuếch tán vào trong các lớp hiệu chỉnh thì sẽ hình thành ở đó các bẫy điện tích, những
bẫy này tạo nên điện trường và là nguyên nhân dẫn đến hiện tượng lưu ảnh, hay còn
gọi là hiện tượng bóng ma trên màn hình. Các hạn chế này sẽ được khắc phục khi sử
dụng graphene làm điện cực, vì vật liệu này có độ bền hóa học cao, không xảy ra hiện
tượng khuyếch tán của ion kim loại vào lớp hiệu chỉnh [1].
Cảm biến điện hóa và Cảm biến sinh học [2]:
Graphene có khả năng dẫn điện tốt, nhiễu thấp và có cấu trúc phẳng hai chiều
với diện tích bề mặt lớn lên đến 2600m2.g-1 nên được kỳ vọng là vật liệu cảm biến
có độ nhạy cao [21]. Khi các phân tử khí bám vào bề mặt graphene thì điện trở cục
bộ tại vị trí đó sẽ thay đổi, và dựa trên cơ chế này mà các phân tử khí sẽ được phát
hiện. Ngoài ra, graphene có khả năng hấp phụ các nhóm chức sinh học trên bề mặt
của nó nên cảm biến sinh học là một ứng dụng tiềm năng khác của màng mỏng
graphene [2]. Hình 1.8 mô tả sự hấp phụ các phân tử khí, nhóm chức sinh học trên
bề mặt màng mỏng graphene, tiền đề cho việc chế tạo các cảm biến hóa sinh.
Hình 1.8. Sự “bám dính” của các phân tử khí trên bề mặt graphene được sử dụng
để chế tạo cảm biến nhạy khí, cảm biến sinh học
15
Pin Lithium
Việc sử dụng graphene trong việc chế tạo pin Lithium Ion không yêu cầu cao về
cấu trúc đồng đều của màng graphene nên có thể sử dụng graphene chế tạo từ phương
pháp tách bóc hóa học. Graphene oxide được tổng hợp từ phương pháp hóa học, sẽ
được khử bằng hóa chất hydrazine, nhiệt phân ở nhiệt độ thấp hoặc chiếu xạ bằng
chum điện tử thích hợp sẽ tạo nên sản phẩm được gọi là graphene paper. Quá trình oxi
hóa và khử đã tạo nên nhiều điểm khuyết và mất trật tự trên bề mặt của màng, đồng
thời làm cho khoảng cách giữa các lớp trong graphene paper cỡ 0,4 nm. Những khuyết
tật này cùng với sự gia tăng khoảng cách giữa các lớp phù hợp cho việc bẫy và gỡ bỏ
những ion Li nhanh chóng trong quá trình nạp và phòng điện của pin. Thực nghiệm đã
chế tạo được các pin với điện dung từ 1100 mA.h/g, cao hơn các pin truyền thống sử
dụng graphit làm điện cực với dung lượng lưu trữ <372 mA.h/g.
Siêu tụ
Hiện nay, năng lượng điện vẫn chủ yếu được tích trữ và sử dụng bằng pin hoặc
acquy, tuy nhiên khi dung lượng tích trữ tăng thì kích thước pin lớn lên, nặng hơn và
khả năng nạp điện cũng lâu hơn. Để giải quyết nhược điểm này, người ta đã chế tạo ra
các siêu tụ sử dụng vật liệu graphene có khả năng tích trữ lớn gấp vài 100 lần pin, kích
thước và trọng lượng nhỏ, khả năng nạp điện nhanh, thời gian sống dài, ít phải bảo
dưỡng [5]. Ngoài ra siêu tụ sử dụng graphene có giá thành thấp, thân thiện môi trường
phù hợp với những ứng dụng trong đời sống và trong sản suất công nghiệp.
1.2. Tổng quan về kem tản nhiệt
1.2.1. Vật liệu tiếp giáp [12]
Sự phát triển của công nghệ vi điện tử và yêu cầu ngày càng cao về chức năng
tích hợp phức tạp trong mạch điện tử để tạo ra những sản phẩm mỏng hơn, nhẹ hơn
và hiệu suất làm việc của sản phẩm tăng lên đòi hỏi nền công nghiệp bán dẫn. 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
16
lượng lớn. Sự tỏa nhiệt này là không mong muốn, bởi nó gây lãng phí điện, giảm
hiệu suất làm việc, đe dọa đến hoạt động ổn định và tuổi thọ của thiết bị. Những
thiết bị có công suất càng cao thì nhiệt lượng tỏa ra càng nhiều, khi nhiệt độ tăng
quá cao có thể hỏng thiết bị, thậm chí gây cháy nổ.
Do đó vấn đề quản lý nhiệt cho thiết bị luôn được các nhà sản xuất rất quan tâm.
Công suất ngày càng gia tăng thì yêu cầu tản nhiệt phải tương xứng. Các hệ thiết bị
điện tử công suất lớn, các hệ thống máy tính đồng bộ do các nhà sản xuất nổi tiếng
thiết kế, đều đã tính toán kĩ đến vấn đề này. Hầu hết các hệ thống được thiết kế có
nhiệt trở tối thiểu và sự tiêu tán nhiệt tối đa. Nhưng với sự thu nhỏ của hệ thống và
sự gia tăng về mật độ linh kiện nên các thiết bị điện tử ngày nay khi hoạt động sẽ
sinh ra một lượng nhiệt đáng kể. Nếu nhiệt lượng không được tiêu tán sẽ làm suy
giảm tuổi thọ và độ tin cậy của thiết bị điện tử. Đây là vấn đề đòi hỏi việc giải quyết
tốt bài toán tản nhiệt bên trong thiết bị như vùng tản nhiệt (heat sink), quạt, trao đổi
nhiệt (heat exchanger)…[29].
Hình 1.9. Bề mặt giao diện của bộ phận nguồn nhiệt và bộ phận tản nhiệt
Tại lớp tiếp giáp giữa các linh kiện tản nhiệt không hoàn toàn tiếp xúc nhau, mà
tồn tại các khe trống chứa đầy không khí với độ dẫn nhiệt thấp. Vì vậy, khi hai bề
mặt được đưa lại tiếp xúc với nhau thì tại đó chỉ có vài điểm tiếp xúc. Điều này làm
suy giảm hiệu quả sẽ có tác động đến việc tản nhiệt của thiết bị, vì những khoảng
17
trống chứa đầy không khí với độ dẫn nhiệt thấp trở thành rào cản cho quá trình tản
nhiệt. Để khắc phục sự cản trở này, vật liệu tiếp giáp được chèn vào để tăng diện
tích tiếp xúc giữa hai bề mặt, lấp đầy khoảng không khí dẫn nhiệt thấp và tăng hiệu
quả trao đổi nhiệt tại lớp tiếp giáp giữa các linh kiện tản nhiệt.
1.2.2. Phân loại vật liệu tiếp giáp
Vật liệu tiếp giáp bao gồm 5 loại khác nhau: Kem tản nhiệt, tấm tản nhiệt, vật
liệu chuyển pha PCM, vật liệu chuyển pha hợp kim và vật liệu hàn [15]. Tùy vào
mục đích ứng dụng mà người ta chọn lựa vật liệu tiếp giáp phù hợp với yêu cầu.
Bảng 2 thể hiện tóm tắt đặc tính các loại vật liệu tiếp giáp.
Bảng 2. Tóm tắt đặc tính các loại vật liệu tiếp giáp
Loại vật
liệu Thành phần Ưu điểm
Nhược
điểm
Độ dày
(mm)
Độ dẫn
nhiệt
(W.mK)
Kem tản
nhiệt
Các hạt dẫn
nhiệt, dầu
Silicon
- Độ dẫn nhiệt khối
cao.
- Tương thích với bề
mặt gồ ghề.
- Không cần lưu hóa
- Tái sử dụng
Dễ chảy
(pumpout)
và phân
tách pha
0,02 –
0,1
1-5
Tấm Nhôm, Bạc,
Dầu
Silicon,
Olefin
- Độ dẫn nhiệt khối
cao
- Tương thích với
bề mặt gồ ghề
trước khi lưu hóa
- Không chảy
(Pump-out)
- Tái sử dụng
- Yêu cầu
lưu hóa
- Độ dẫn
nhiệt thấp
hơn kem
nhiệt
0,5-1,5 1-4
Vật liệu
chuyển
pha PCM
(Phase
Polyolefins,
Epoxies,
Polyesters,
- Tương thích với
bề mặt gồ ghề
- Không cần lưu
hóa
- Độ dẫn
nhiệt thấp
hơn kem
nhiệt
1,5-2 0,5-5
18
Change
Material)
Acrylics,
BN, Nhôm,
Than ống
nano
- Dễ dàng sử dụng
- Tái sử dụng
- Độ dày
đường nối
BLT
không
đồng đều
Vật liệu
chuyển
pha hợp
kim
In nguyên
chất, In/Ag,
Sn/Ag/Cu,
In/Sn/Bi
- Độ dẫn nhiệt cao
- Dễ dàng sử dụng
- Tái sử dụng
- Có thể
nóng chảy
hết
2-5 30-50
Chất hàn In nguyên
chất, In/Ag,
Sn/Ag/Cu,
In/Sn/Bi
- Độ dẫn nhiệt cao
- Dễ dàng sử dụng
- Không chảy
- Dễ bị nứt
vỡ
- Không tái
sử dụng
2-5 30-50
1.2.3. Thành phần và tính chất kem tản nhiệt
Việc giải quyết tốt bài toán tản nhiệt sẽ mở rộng cho việc tăng mật độ linh kiện,
tăng công suất, hiệu suất của linh kiện điện tử. Việc lựa chọn vật liệu tiếp giáp phù
hợp với độ dẫn nhiệt tốt và có ý nghĩa quan trọng trong các hệ thống tản nhiệt. Với
ưu điểm vượt trội như hệ số dẫn nhiệt cao, kháng trở nhiệt thấp, giá cả thấp vì vậy
kem tản nhiệt là thành phần không thể thiếu trong hệ thống tản nhiệt.
Kem tản nhiệt là vật liệu giao diện điển hình, là hợp chất bao gồm hai thành phần
chính là nền silicon và chất phụ gia. Silicon là một hợp chất polyme thường được sử
dụng làm chất nền do sự ổn định nhiệt độ, đặc tính ướt, năng lượng bề mặt thấp nên có
thể trải đều trên bề mặt lớp tiếp giáp giữa linh kiện điện tử và hệ thống tản nhiệt. Các
vật liệu nền và chất phụ gia được pha trộn để tạo thành hợp chất được ứng dụng cho
các bề mặt giao diện [19]. Khi ứng dụng cho các bề mặt linh kiện tản nhiệt tiếp xúc với
nhau, kem nhiệt sẽ lấp đầy tất cả các khoảng trống không khí vốn có độ dẫn nhiệt thấp
(0,026 W/m.K). Thành phần dẫn nhiệt chính trong kem tản nhiệt silicon là chất dẫn
nhiệt, chúng là các hạt có kích thước μm với độ dẫn nhiệt cao phân tán đồng đều trong
nền dầu silicon chẳng hạn như chất vô cơ hoặc vật liệu kim loại như nhôm oxit, kẽm
19
oxit, graphit, bột nhôm v.v...[20,21,26]. Độ dẫn nhiệt của kem tăng với sự gia tăng của
hàm lượng chất dẫn nhiệt. Tuy nhiên, chúng có xu hướng co lại và trở thành một cụm
đường kính lớn làm cho độ nhớt trong kem tăng lên gây ảnh hưởng đến việc tản nhiệt
các linh kiện công suất cao. Kích thước hạt cũng là yếu tố trong hợp chất vì các hạt có
thể hoạt động như miếng đệm giữa các bề mặt và ảnh hưởng đến độ dày đường liên
kết. G Becker và đồng nghiệp đã chỉ ra rằng bằng cách pha trộn các hạt có kích thước
khác nhau, có thể đạt được độ nhớt thấp hơn nhiều so cùng phần thể tích của hạt có
cùng kích thước. Nhóm nghiên cứu Chuanang Lin đã chỉ ra rằng có 3 nhóm vật liệu
dùng trong sản xuất kem tản nhiệt là kim loại (niken, đồng, nhôm, bạc…), gốm và
nhóm cácbon [6,7].
1.2.4. Một số nghiên cứu về kem tản nhiệt
1.2.4.1. Cấu tạo kem tản nhiệt
Hiện nay, có rất nhiều công trình đã thực hiện để tăng cường độ dẫn nhiệt của
kem silicon [35-41], trong đó việc bổ sung các vật liệu có độ dẫn nhiệt cao. Các hạt
có kích thước micro và nano met là vật liệu vô cơ hoặc kim loại như nhôm oxit,
graphit, hạt nhôm, v.v… được phân tán đồng đều trong kem silicon giúp tăng cường
độ dẫn nhiệt của kem [33].
Nghiên cứu của Qian Wang và cộng sự cho thấy nồng độ của -Al2O3 và SiC có
kích thước khác nhau ảnh hưởng đáng kể đến độ dẫn nhiệt và độ nhớt của cao su
RTV và kem silicon. Kết quả khảo sát cho thấy với tổng nồng độ thể tích là 0,55
mPas và kích thước của các hạt tải nhiệt là 0,8 và 6 m thì độ dẫn nhiệt kem silicon
đạt tối đa 1,48 W/mK và độ nhớt đạt tối tiểu 3,4 x 104. Độ dẫn nhiệt và độ nhớt của
cao su RTV và kem silicon thay đổi được thể hiện trong hình 1.10.
20
Hình 1.10. Kết quả nghiên cứu của nhóm Qian Wang
Wei Yu và cộng sự đã chế tạo thành công kem tản nhiệt chứa các cấu trúc CuO
dựa trên nền silicon. Kết quả khảo sát độ dẫn nhiệt so với kem silicon cho thấy, độ
dẫn nhiệt của kem nhiệt với microdisks CuO, nanoblocks CuO và microspheres
CuO lần lượt là 0,283, 0256 và 0,239 W/mK. Như vậy, với nồng độ 9% thể tích
chất đệm độ dẫn nhiệt của kem với microdisks CuO, nanoblocks CuO và
microspheres CuO có thể được tăng cường lần lượt 139%, 116% và 99%. Các kem
nhiệt này có xu hướng giảm dần về độ dẫn nhiệt ở nhiệt độ cao. Những dữ liệu thực
nghiệm này được so sánh với dự đoán mô hình của Nan (hình 1.11), chỉ ra rằng yếu
tố hình dạng có ảnh hưởng lớn đến việc cải thiện độ dẫn nhiệt của kem nhiệt với các
cấu trúc CuO khác nhau. Trong khi đó, do tỷ lệ hình dạng của microdisks CuO lớn
giúp làm tăng sự tiếp xúc giữa các hạt với nhau, do đó hình thành mạng dẫn nhiệt
hiệu quả, từ đó dẫn đến tăng cường độ dẫn nhiệt cao.
21
Hình 1.11. Kết quả nghiên cứu của nhóm Wei Yu và mô hình dự đoán
lý thuyết của Nan
Hình 1.12. Kết quả nghiên cứu của nhóm Haixu với dự đoán của
mô hình Hamiton- Crosser
22
Haixu Du và cộng sự đã chế tạo thành công kem nhiệt chứa các hạt oxit kẽm
(ZnO) với cấu trúc khác nhau. Kết quả được thể hiện như hình 1.12 chứng minh
rằng độ dẫn nhiệt và độ nhớt của kem phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc và tỉ lệ thể
tích của ZnO. Kem nhiệt chứa ZnO có cấu trúc tetrapod-shaped (T-ZnO) có có độ
truyền nhiệt vượt trội so với các hạt ZnO có kích thước nano (ZnO-NP) và ZnO có
hình cột ngắn (ZnO-SC). Nhóm nghiên cứu cũng nghiên cứu chất đệm lai bằng cách
trộn T-ZnO với ZnO-SC tạo thành mạng lưới dẫn nhiệt ba chiều. Mạng lưới này có
thể làm giảm hiệu quả sự tán xạ phonon ở giao diện giữa chất đệm và silicon, và cải
thiện độ dẫn nhiệt lên 0,83 W/mK. Hiệu ứng này được mô hình Hamilton-Crosser
đã thiết lập và giải thích phù hợp.
1.2.4.2. Kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs
Hình 1.13. Kết của nghiên cứu nhóm Hongyuan Chen với các loại CNTs khác nhau
Hongyuan Chen và cộng sự đã sử dụng CNTs được gắn các nhóm chức đưa vào
kem silicon với mục đích tăng cường độ dẫn tiếp xúc nhiệt của kem. CNTs phân tán
tốt nằm giữa các hạt oxit kim loại để tạo ra cấu trúc mạng ba chiều và liên kết tạo
thành một đường truyền nhiệt hiệu quả cao. Việc chức năng hóa CNTs đóng một
vai trò quan trọng giúp CNTs phân tán tốt trong kem silicon. CNTs-COOH cho thấy
23
sự phân tán trong kem tốt hơn CNTs và CNTs-NH2 (hình 1.13). Do đó, trở kháng
nhiệt của kem silicon có thể giảm thêm 35% (thấp tới 0,18 cm2K/W) tương ứng với
việc bổ sung 2% khối lượng CNT-COOH.
Hình 1.14. Khảo sát nhiệt độ khi sử dụng kem chứa MWCNTs của nhóm Gou Yujun
Trong nghiên cứu của Gou Yujun và cộng sự, các ống nano cácbon đa tường
(MWCNTs) được sử dụng làm chất phụ gia để tăng cường tính dẫn nhiệt của kem
silicon. Sự ảnh hưởng của chiều dài và biến tính bề mặt của MWCNTs đối với độ
dẫn nhiệt của kem được nghiên cứu, qua đó giúp tăng cường hiệu suất nhiệt của
kem silicon. Việc xử lý gắn các nhóm chức lên bề mặt MWCNTs bằng axit mạnh
và bazơ giúp CNTs phân tán tốt trong nền kem silicon tạo thành hỗn hợp đồng nhất.
Kết quả cho thấy rằng chiều dài MWCNT đóng một vai trò quan trọng trong hiệu
suất nhiệt của kem và độ dẫn nhiệt tăng khi chiều dài MWCNT giảm (hình 1.14).
Haiping Hong và cộng sự chế tạo thành công kem nhiệt dựa trên các ống nano
cácbon và dầu polyalpha olefin, kết quả được thể hiện trên hình 1.15. Chiều dài và
đường kính khác nhau của ống nano có tác động nhỏ đến tính chất của kem. Hiệu
suất của kem CNTs có thể tốt hơn nhiều với sự cải thiện chất lượng và độ tinh khiết
của ống nano. Ví dụ, đối với CNT đơn tường có nồng độ 11% (7 vol%) (đường kính
24
1,2nm, chiều dài 0,5 - 40 mm), độ dẫn nhiệt của kem cho thấy tăng 60%- 70% so
với kem không chứa ống nano cácbon. Đặc tính cho thấy loại kem này có thể hoạt
động ở nhiệt độ cao (> 271 ) và tỷ lệ bay hơi dầu rất thấp ngay cả ở nhiệt độ cao.
Ngoài ra, kem nano không gây hại cho đồng ở nhiệt độ lên tới 177 . Độ dẫn nhiệt
và điện tăng mạnh cho thấy rằng các loại kem ống nano cácbon này có thể thay thế
các loại kem thương mại hiện tại (lithium, canxi, nhôm và polyurea) và có một
tương lai đầy hứa hẹn cho các ứng dụng thực tế.
Hình 1.15. Kết quả nghiên cứu của nhóm Haiping Hong
1.2.4.3. Kem tản nhiệt chứa vật liệu graphene
Wei Yu và cộng sự đã sử dụng dầu silicon và graphene để nghiên cứu thành
công kem tản nhiệt bằng phương pháp nghiền keo cơ học. Graphene được điều chế
bằng các phương pháp khác nhau cho thấy ảnh hưởng đến tính chất vật lý nhiệt của
kem. Với tải thấp, FGO là chất phụ gia hiệu quả nhất để tăng cường tính chất truyền
nhiệt của silicon. Khi tăng nồng độ (>1,25 % thể tích), độ nhớt của RGO-SO trở
nên rất lớn và mất khả năng điền đầy và diện tích bề mặt riêng lớn. Khi đó, GNP là
một chất phụ gia rất hiệu quả để tăng cường các tính chất truyền nhiệt, sự tăng
25
cường độ dẫn nhiệt lên tới 668% với các hạt nano graphene 4,25% (hình 1.16).
Ngoài ra mô hình tính toán cho thấy độ dày, chiều dài và độ bền nhiệt liên vùng và
độ phẳng của GNP vào điều kiện cho thấy sự phù hợp với dữ liệu thực nghiệm.
Hình 1.16. Kết quả nghiên cứu của nhóm Wei Yu [41]
Hình 1.17. Kết quả nghiên cứu của nhóm Xuhua He
26
Xuhua He và cộng sự đã chế tạo thành công kem nhiệt chứa graphene flakes
(GFs), boron nitride lục giác (h-BN) và hydroxypropyl cellulose (HPC) bằng
phương pháp pha trộn dung dịch. Sự kết hợp của GFs, h-BN và HPC trong PDMS
đã cải thiện độ dẫn nhiệt của kem. Độ dẫn nhiệt của kem GF/h-BN/HPC đạt 1,091
W/mK với nồng độ 23% h-BN, như vậy độ dẫn nhiệt tặng 555% so với PDMS
thuần túy (hình 1.17). Kết quả này cao hơn 50% so với kem nhiệt chứa GF/h-BN,
cao hơn 169% với kem nhiệt chứa h-BN/HPC và 115% so với kem nhiệt chứa h-
BN. Sự cải thiện này được giải thích do sự hình thành các mạng dẫn nhiệt hiệu quả
giữa GF, h-BN và HPC làm giảm điện trở nhiệt.
Hình 1.18. Kết quả nghiên cứu của nhóm Weijie Liang
Weijie Liang và cộng sự đã kết hợp với Graphene Oxide (RGO) và Boron
Nitride lục giác (hBN) cho kem nhiệt silicon, kết quả như hình 1.18. Độ nhớt của
kem nhiệt silicon chứa RGO-hBN có giá trị thấp hơn nhiều so với các ống nano
hBN trong cùng một hàm lượng nồng độ. Các đặc tính lưu biến tốt tạo điều kiện
thuận lợi cho khả năng xử lý và khả năng thiết lập đường dẫn của kem nhiệt silicon
có chứa RGO-hBN trong xử lý và ứng dụng thực tế. Hơn nữa, RGO-hBN tăng
cường các tính chất dẫn nhiệt của silicon, so với các ống nano hBN. Có thể giải
27
thích do có thành phần graphene và các đặc điểm cấu trúc phù hợp với phonon của
nó. Sự tăng cường độ dẫn nhiệt của độ dẫn điện của RGO-hBN/STG đạt 68%, gấp
khoảng 1,8 lần so với hBN/STG (38%). Trong khi đó, điện trở nhiệt của RGO-
hBN/STG giảm xuống giá trị 0,138 C/W (từ 0,209 C/W của STG), thấp hơn 0,188
C/W của hBN/STG. Như vậy, RGO-hBN/STG cho thấy khả năng quản lý nhiệt tốt
hơn STG và hBN/STG trong quá trình làm nóng và làm mát.
Một hiệu ứng hiệp đồng giữa các tấm graphene và các hạt alumina được Wei
Yu và cộng sự nghiên cứu trong việc cải thiện tính chất dẫn nhiệt của kem nhiệt
(hình 1.19). Việc sử dụng alumina có kích thước lai dẫn đến cấu trúc xen kẽ
trong nền silicon và cản trở sự kết tụ tạo thành cụm của graphene. Graphene hai
chiều với tính dẫn nhiệt tuyệt vời có thể kết nối các hạt alumina để tạo thành cấu
trúc xen kẽ và thiết lập đường dẫn nhiệt hiệu quả hơn để vận chuyển phonon trong
kem nhiệt. Những tác động hiệp đồng này làm tăng cường tính dẫn nhiệt của kem
nhiệt. Với 1% trọng lượng graphene độ dẫn nhiệt của kem nhiệt là 3,45 W/m K, nó
được cải thiện đáng kể so với kem nhiệt không có graphene (2,70 ± 0,10 W/m
K). Đối với kem silicon, độ dẫn nhiệt thu được tăng tới 2553%.
Hình 1.19. So sánh độ dẫn nhiệt và tăng cường độ dẫn nhiệt của kem nhiệt có và
không có graphene của nhóm Wei Yu [40]
28
Kết quả nghiên cứu của Khan MF Shahil và Alexander A. Balandin (hình 1.20)
cho thấy sự có mặt của hỗn hợp tối ưu hóa graphene và graphene đa lớp giúp tăng
cường mạnh mẽ tính dẫn nhiệt trong mặt phẳng hỗn hợp. Các phép đo flash laser đã
cho thấy mức tăng độ dẫn nhiệt tăng 2300% với nồng độ của graphene f = 10 vol%.
Độ dẫn nhiệt của kem nhiệt thương mại đã tăng từ giá trị ban đầu ∼5,8 W / mK lên
K = 14 W / mK với nồng độ graphene nhỏ f = 2%, bảo toàn tất cả các tính chất cơ
học của hybrid. Kết quả mô hình hóa cũng cho thấy rằng vật liệu nano graphene đa
lớp được sử dụng làm vật liệu tiếp giáp vượt trội hơn so với vật liệu nano cácbon
hoặc hạt nano kim loại.
Hình 1.20. Kết quả của nhóm Khan MF Shahil (a) Khảo sát độ dẫn nhiêt của TIM
với nồng độ khác nhau. (b) Xác định thực nghiệm sự phụ thuộc độ dẫn nhiệt của
TIM vào nhiệt độ
29
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM
2.1. Đề xuất ứng dụng graphene trong kem tản nhiệt
Với tốc độ phát triển nhanh của công nghệ chế tạo các linh kiện và cấu trúc vi
điện tử, nên tản nhiệt ngày càng trở thành vấn đề quan trọng nhằm tăng hiệu quả
hoạt động và tuổi thọ của linh kiện điện tử công suất lớn. Hiện nay có rất nhiều
phương pháp tản nhiệt khác nhau, trong đó kem tản nhiệt là phương pháp phổ biến
được áp dụng rộng rãi trong các linh kiện và thiết bị điện tử công suất lớn, đóng vai
trò quan trọng quyết định đến hiệu suất của hệ thống tản nhiệt. Vì vậy có nhiều sản
phẩm kem tản nhiệt đang được thương mại trên thị trường, trong đó có sản phẩm
kem chứa thành phần vật liệu bạc dựa trên nguyên tắc bạc là kim loại có độ dẫn
nhiệt cao hơn hầu hết các vật liệu khác.
Trong khi đó, nếu so với bạc có độ dẫn nhiệt kAg=406 W/mK thì độ dẫn nhiệt
của Graphene có giá trị vượt trội (kGr=5000 W/mK). Vật liệu graphene còn có cấu
trúc nano, diện tích bề mặt lớn bền vững và không bị oxy hóa. Với những ưu điểm
đó chúng tôi đề xuất hướng nghiên cứu thử nghiệm chế tạo kem tản nhiệt có thành
phần là graphene, với hệ số dẫn nhiệt cao và định hướng ứng dụng kem nhiệt cho vi
xử lý máy tính nói riêng và cho các thiết bị điện tử công suất lớn nói chung.
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
Graphene
Hình 2.1. Ảnh SEM vật liệu Graphene nanoplatetes sử dụng trong thí nghiệm
30
Graphene được sử dụng trong nghiên cứu này là vật liệu graphene nanoplatelets
(GNP) được chế tạo bởi hãng ACS Material với độ sạch là 99,5%, độ dày 2-10 nm,
đường kính khoảng 5 , khối lượng riêng 2,3 g/cm3 và diện tích bề mặt 20-40
m 2 /g.
Kem nền silicon
Kem nền silicon sử dụng trong nghiên cứu là kem silicon thương mại được sản
xuất bởi công ty HongDa chemical, Trung Quốc. Kem có màu trắng mờ, tan trong
các dung môi hữu cơ như: toluene, xylene, khoáng chất và hydrocácbon clo hóa, nó
không tan trong metanol, etanol và nước. Kem silicon có tính kị nước, thành phần
gồm dầu silicon và các hạt oxit kim loại như oxit kẽm và oxit nhôm, kem nền
silicon có độ dẫn nhiệt 1,829 W/mK. Dầu silicon sử dụng trong nghiên cứu là
polydimethylsiloxane của Hãng Momentive với độ nhớt 350 cst và nhiệt độ bay hơi
khoảng 300°C.
Một số hóa chất khác
Để phục vụ cho quá trình biến tính gắn nhóm chức –COOH lên vật liệu
graphene chúng tôi đã sử dụng các hóa chất H2SO4 (98%), HNO3 (98%) được cung
cấp bởi công ty hóa chất Shantou Xilong, Trung Quốc.
2.2.2. Các trang thiết bị
Thiết bị nghiền bi năng lƣợng cao (8000D Mixer/ Mill)
Hình 2.2. Thiết bị nghiền bi năng lượng cao (8000D Mixer/Mill)
31
Thiết bị 8000D Mixer/Mill là thiết bị nghiền kép, mỗi lần có thể nghiền từ 0,2
- 10 gram. Mẫu nghiền được đặt vào trong cối chứa mẫu, trong đó có một hoặc
nhiều viên bi. Cối chứa mẫu và các viên bi cùng làm từ một vật liệu với độ cứng
cao như: thép cứng, thép không gỉ, cacbua vonfram, gốm alumina, gốm zirconia,
silicon nitride, mã não, polystyrene, methacrylate, và polycarbonate. Đây là thiết bị
lý tưởng để nghiền các mẫu khô, giòn, hợp kim cơ học, bùn, bột, nhũ tương trộn.
Trong quá trình hoạt động, cối chứa mẫu chuyển động với hình dạng số 8, các viên
bi rung chuyển trong cối với vai trò nghiền vật liệu trong cối (Hình 2.3).
Hình 2.3. Cấu tạo thiết bị nghiền bi năng lượng cao
Thiết bị này được mô tả chức năng như một máy nghiền lắc hoặc máy nghiền bi
năng lượng cao. Thiết bị này có khả năng lắc nhanh các cối chứa qua lại vài nghìn
lần /phút và có khả năng làm giảm nhanh các mẫu cứng, giòn đến độ đồng nhất để
phân tích hoặc tạo nhũ tương. Nó cũng rất hiệu quả đối với hợp kim cơ học. Một tải
trộn thông thường là 25 ml hoặc 40% thể tích lọ. Nếu bột mẫu không đủ mịn người
ta có thể sẽ giảm lượng mẫu, tăng thời gian nghiền, sử dụng môi trường nghiền đậm
đặc hơn hoặc thêm chất trợ nghiền hoặc chất lỏng. Nghiền ướt mẫu không bị đóng
bánh và cho kích thước hạt nhỏ hơn. Tiêu chuẩn hầu hết cho các mẫu nghiền là
dùng 2 viên bi/cối tuy nhiên từng mẫu thì số lượng viên bi nghiền trong cối sẽ khác
nhau. Có thể sử dụng 1 viên bi/cối cho mẫu nhôm và mã não hoặc 3 viên bi/cối cho
các mẫu thép. Khi sử dụng cối nghiền có nắp và dây ren để đảm bảo mẫu ko bị tràn
ra ngoài trong quá trình nghiền. Trong luận văn này chúng tôi sử dụng thiết bị
32
nghiền bi năng lượng cao với 2 viên bi/cối trong quá trình chế tạo kem nhiệt chứa
thành phần graphene. Điều này giúp cho graphene phân tán tốt hơn trong nền kem
silicon.
Các thiết bị khác
Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng thêm các thiết bị khác như thiết bị lọc
hút chân không và máy khuấy từ gia nhiệt. Thiết bị máy khuấy từ gia nhiệt được sử
dụng trong quá trình biến tính gắn nhóm chức –COOH lên graphene. Thiết bị lọc
hút chân không được sử dụng để loại bỏ axit và làm sạch Gr-COOH.
2.2. Phƣơng pháp chế tạo
2.2.1. Phƣơng pháp biến tính Gr-COOH
Để tăng cường khả năng phân tán graphene vào các loại vật liệu nền nói chung
hay dầu silicon và kem silicon nói riêng thì bề mặt của vật liệu graphene cần phải
được biến tính để gắn kết với các nhóm chức hóa học [31]. Hiện nay có nhiều
phương pháp khác nhau để biến tính gắn nhóm chức hóa học lên bề mặt của
graphene, trong các phương pháp đó thì phổ biến nhất là phương pháp biến tính hóa
học bằng cách sử dụng chất oxi hóa mạnh. Các nhóm chức dùng để gắn kết lên bề
mặt graphene cũng khá đa dạng, trong đó phổ biến nhất là nhóm chức –COOH.
Trong quy trình này chúng tôi đưa ra phương án biến tính graphene với nhóm –
COOH để chế tạo kem tản nhiệt.
Hình 2.4. Quy trình biến tính graphene với nhóm chức –COOH
Để biến tính gắn nhóm chức –COOH lên bề mặt vật liệu graphene chúng tôi sử
dụng quy trình tổng quan như được thể hiện trên hình 2.4. Quy trình này được thực
hiện qua các bước như sau:
33
- Bước 1: 0,2 gam graphene được đưa vào bình cầu chứa 400 ml hỗn hợp axít
HNO3 và H2SO4 với tỉ lệ về số mol là 1:3.
- Bước 2: Khuấy trộn đều hỗn hợp trên bằng máy khuấy từ ở 70°C trong 5 giờ.
- Bước 3: Tiến hành lọc rửa sản phẩm huyền phù thu được ở bước trên bằng
máy lọc hút chân không để loại bỏ thành phần axít dư.
Trong đó: Việc kiểm tra lượng axít dư được thực hiện bằng cách tiến hành
xác định độ pH bằng pháp sử dụng giấy chỉ thị pH vào hỗn hợp, khi giấy chỉ thị
không đổi màu thì chứng tỏ Gr đã sạch, không còn axít dư.
- Bước 4: Chất bột sau khi lọc rửa được sấy khô để thu được sản phẩm biến
tính Gr-COOH.
2.2.2. Quy trình chế tạo kem tản nhiệt graphene
Hình 2.5. Quy trình chế tạo kem bằng thiết bị nghiền bi năng lượng cao
Để chế tạo kem nhiệt chứa thành phần graphene chúng tôi sử dụng thiết bị
nghiền bi năng lượng cao, quy trình thể hiện trên hình 2.5. Quy trình này được thực
hiện qua các bước sau:
- Bước 1: Cân vật liệu để pha trộn thành các % khác nhau của Gr-COOH và
pha trộn Gr-COOH với kem silicon.
- Bước 2: Trộn sơ bộ hỗn hợp trên bằng phương pháp cơ học trong 10 phút.
34
- Bước 3: Cho hỗn hợp thu được ở bước 2 vào thiết bị nghiền bi, cài đặt thời
gian và bắt đầu pha trộn vật liệu
- Bước 4: Sau 30 phút đầu dừng thiết bị 10 phút lấy mẫu.
- Bước 5: Tiếp tục cho mẫu còn lại vào nghiền và lặp lại quy trình sau 30 phút
dừng lấy mẫu 1 lần cho đến khi đạt thời gian yêu cầu.
2.3. Các phƣơng pháp phân tích và khảo sát tính chất vật liệu
2.3.1 Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trƣờng (FESEM)
Kính hiển vi điện tử quét là thiết bị có thể quan sát bề mặt mẫu với độ phân giải
cao bằng cách sử dụng một chùm điện tử hẹp quét trên bề mặt mẫu.
Độ phóng đại và độ phân giải của SEM lớn gấp hàng nghìn lần so với kính hiển
vi quang học. Độ phân giải SEM nằm trong dải rộng từ 10 đến 1 triệu lần so với
kính hiển vi quang học chỉ từ 1 đến 1000 lần. Trong kính hiển vi phát xạ trường
FESEM, các electron được giải phóng khỏi nguồn phát xạ trường và được gia tốc ở
độ dốc điện trường cao. Trong cột chân không cao, các electron được gọi là sơ cấp
này được tập trung và làm chệch hướng bởi các thấu kính điện tử để tạo ra một
chùm quét hẹp bắn phá vật thể.
Hình 2.6. Kính hiểu vi điện tử quét phát xạ trường
35
Các ảnh FESEM trong luận văn này được thực đo trên kính hiển vi điện tử quét
phát xạ trường S - 4800 (hãng Hitachi - Nhật) thuộc Phòng Thí nghiệm trọng điểm
Vật liệu và linh kiện điện tử - Viện Khoa học Vật liệu, với độ phóng đại của hệ có
thể lên đến 800.000 lần.
2.3.2 Phổ tán xạ Raman
Để nghiên cứu các thành phần trong các mẫu kem tản nhiệt chế tạo được, chúng
tôi đo phổ tán xạ Micro - Raman. Các mẫu đều được tiến hành đo phổ tán xạ Raman
bằng máy quang phổ Micro - Raman LABRAM - 1B của hãng Jobin - Yvon (Pháp)
đặt tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.
Thiết bị dùng nguồn sáng là Laser He - Ne, với cấu hình tán xạ ngược. Như vậy,
mẫu được kích thích bằng ánh sáng có bước sóng 514,5 nm của laser Ar. Mật độ
công suất kích thích thấp được sử dụng để tránh ảnh hưởng của hiệu ứng nhiệt. Hệ
đo được lắp thêm camera và màn hình để quan sát vị trí xẩy ra tán xạ không đàn hồi
ánh sáng kích thích trên một diện tích rất hẹp cỡ micro mét vuông hoặc nhỏ hơn ở
trên bề mặt của mẫu. Các mẫu đo được đặt trên bàn dịch chuyển ba chiều với bước
dịch chuyển nhỏ nhất là 0,5 mm. Ngoài ra, hệ đo còn được nối với kính hiển vi cho
phép ghi phổ với độ phân giải không gian tốt hơn. Máy tính điện tử kết nối trong hệ
đo với chương trình cài đặt sẵn, cho ta kết quả cuối cùng đã xử lí. Phổ được hiển thị
trên màn hình dưới dạng sự phụ thuộc cường độ dao động vào số sóng của các vạch
dao động.
2.3.3. Phổ hồng ngoại biến đổi fourier
Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại biến đổi fourier (Fourier Transform
Infrared Spectroscopy – FTIR) là một phương pháp không phá huỷ mẫu, nhanh
chóng và hiệu quả với mục đích xác định các nhóm chức hoá học.
Bằng cách so sánh phổ của mẫu với các phổ đặc trưng ứng với từng loại nhóm
chức xác định, phương pháp này giúp nhận biết được các nhóm chức trong mẫu cần
phân tích, tuy nhiên đây là phương pháp phân tích định tính giúp xác định thành
phần nhóm chức mà không xác định được hàm lượng của các nhóm chức đó có
36
trong mẫu. Yêu cầu để có kết quả phân tích chính xác là mẫu phân tích phải sạch và
đặc biệt không phải là hỗn hợp chứa các nhóm chức khác nhau.
Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng phương pháp phân tích phổ hồng ngoại
biến đổi fourier để xác định sự hình thành của các nhóm chức –COOH trên bề mặt
của graphene sau quá trình biến tính. Trong nghiên cứu, phép đo phổ FTIR được
thực hiện trên máy IMPAC 410 Nicolet tại Viện Hoá học (Viện Hàn lâm Khoa học
và Công nghệ Việt Nam).
2.3.4. Phƣơng pháp đo độ dẫn nhiệt THB-100
Hình 2.7. Thiết bị đo độ dẫn nhiệt
Phương pháp đo nhiệt THB được nghiên cứu bởi Viện Đo lường Quốc gia Đức
là một kỹ thuật dây nóng được tối ưu hóa để đo tất cả các đặc tính nhiệt có liên quan
(độ dẫn nhiệt, độ khuếch tán nhiệt, nhiệt dung riêng) với độ chính xác cao và thời
gian đo nhanh. Trong phương pháp này, một nguồn nhiệt kết hợp với cảm biến có
hình dạng rất mỏng được nhúng vào giữa hai mảnh vật liệu mẫu như hình 2.7. Khi
được gia nhiệt, tốc độ tăng nhiệt độ của cảm biến phụ thuộc vào công suất gia nhiệt
và độ dẫn nhiệt của vật liệu cần đo bao quanh. Chúng tôi sử dụng cảm biến QSS với
kích thước 42x22 mm, thời gian đo được tính bằng giây, phép đo kéo dài cho đến
khi vượt quá độ chênh lệch tối đa hoặc đến khi điện áp ở trạng thái ổn định. Trong
luận văn này chúng tôi sử dụng phương pháp đo nhiệt THB được đặt tại Trung tâm
Phát triển Công nghệ cao, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
2.3.5. Thử nghiệm tản nhiệt cho bộ xử lý Intel Core i5
Với tốc độ phát triển của công nghệ vi điện tử, việc tích hợp ngày càng nhiều
transistor lên mỗi chip nhằm tăng khả năng xử lý là xu hướng tất yếu, nên đòi hỏi
37
phải có phương pháp tản nhiệt hiệu quả để tăng hiệu suất hoạt động và tuổi thọ của
CPU. Để kiểm tra sự hiệu quả của kem tản nhiệt graphene chúng tôi thử nghiệm
trực tiếp trên bộ xử lý Intel Corei5 [3]. Hiệu quả tản nhiệt của kem tản nhiệt chứa
graphene được đánh giá bằng cách sử dụng phần mềm chuyên dụng Core Temp
1.10.2- 64 bit và cảm biến nhiệt độ tích hợp bên trong để đo trực tiếp nhiệt độ của
bộ vi xử lý. Bộ vi xử lý được đẩy lên công suất hoạt động tối đa (sử dụng 100% bộ
xử lý) bằng cách sử dụng phần mềm Prime95 32 bit 29.3 build 1. Trong mô hình
này, kem tản nhiệt được phủ trực tiếp lên bề mặt giao diện giữa chip CPU và đế tản
nhiệt (như hình 2.8). Nhiệt độ của môi trường được giữ ở 28 cho tất cả các phép
đo bằng cách sử dụng điều hòa. Kem tản nhiệt đóng vai trò lấp đầy không khí có độ
dẫn nhiệt 0,026 W/m.K và thiết lập đường dẫn nhiệt thông qua kem tản nhiệt
graphene có độ dẫn nhiệt cao, qua đó làm tăng hiệu quả truyền nhiệt, làm giảm
nhiệt độ bão hòa và nâng cao tuổi thọ của vi xử lý. Do tuổi thọ của thiết bị điện tử
phụ thuộc vào nhiệt độ hoạt động của chúng, cụ thể phương trình Arrhenius liên
quan đến tốc độ hoạt động và nhiệt độ cho thấy rằng nhiệt độ hoạt động của thiết bị
tăng 10 tuổi thọ sẽ giảm một nửa. Dựa trên nguyên lý này luận văn đã tính toán
ước lược được tuổi thọ gia tăng của vi xử lý khi ứng dụng kem tản nhiệt chứa thành
phần graphene.
38
Hình 2.8. Sơ đồ hệ thống làm mát sử dụng kem nhiệt có chứa Gr-COOH
39
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Kết quả biến tính vật liệu graphene
Hình 3.1 là hình ảnh FESEM của vật liệu graphene ở độ phóng đại 10000 lần.
Kết quả cho thấy graphene có độ sạch cao độ dày trong phạm vi 10-20 nm và đường
kính trung bình khoảng 5 .
Hình 3.1. (a) Kết quả FESEM của graphene nanoplatelets, (b) Mặt cắt của
graphene
a)
b)
40
Để kiểm tra những biến đổi cấu trúc vật liệu graphene trước và sau khi biến tính
gắn nhóm chức –COOH chúng tôi sử dụng phổ tán xạ Raman. Hình 3.2 là kết quả phổ
tán xạ Raman của vật liệu graphene trước và sau khi biến tính gắn nhóm chức –COOH.
Trên phổ tán xạ cho thấy các đặc điểm nổi bật nhất của graphene ở ở bước sóng
1584 cm-1 là dải G (graphit) và dải 2D ở bước sóng 2682 cm-1 [26]. Đỉnh G sinh ra
từ mạng graphene đặc trưng cho tính trật tự của cấu trúc trong đó các nguyên tử
cácbon sắp xếp theo trật tự dạng vòng sáu cạnh. Đỉnh 2D là dải đặc trưng của
graphene, nó được hình thành từ dao động của các nguyên tử cácbon ở trạng thái
sp2 [26]. Như vậy, với graphene chưa biến tính kết quả cho thấy graphene không
xuất hiện dải D, thể hiện rằng graphene có độ tinh khiết cao.
Hình 3.2. Kết quả raman Gr-COOH
Kết quả đo Raman của Gr-COOH thấy sự xuất hiện dải D (1340 cm-1), điều
này khẳng định đã có sự biến đổi bề mặt graphene dưới tác động oxy hóa của mình,
do đó tạo điều kiện cho hình thành liên kết giữa của các nhóm carboxylic với bề
mặt graphene. Tỷ lệ của dải D so với dải G (ID/IG) thể hiện độ sai hỏng của
graphene. Sự gia tăng tỷ lệ cường độ đỉnh ID/IG của Gr-COOH cho thấy mức độ
khuyết tật trong Gr-COOH cao hơn so với graphene. Cường độ của sự thay đổi đỉnh
D và đỉnh G đã xác nhận rằng sự thay đổi cácbon sp2 (C = C) đã được chuyển đổi
thành cácbon sp3 (C - C) trên bề mặt graphene sau khi xử lý trong hỗn hợp axit
HNO3 / H2SO4.
41
Để kiểm tra sự xuất hiện của các nhóm carboxyl trên các mẫu Gr-COOH và
khảo sát sự hình thành liên kết sau quá trình biến tính, chúng tôi sử dụng phương
pháp phổ hồng ngoại biến đổi fourier để xác định sự tồn tại của nhóm –COOH. Kết
quả đo hồng ngoại truyền qua thu được như trên hình 3.3.
Hình 3.3. Kết quả FTIR của graphene và Gr-COOH
Kết quả đo phổ hồng ngoại biến đổi FTIR cho thấy 2 mẫu Graphene và Gr-
COOH đều xuất hiện dao động tại 3446 cm-1, đây là đỉnh đặc trưng cho liên kết –
OH trong H2O. Các đỉnh dao động trong vùng 3446 cm-1 có xu hướng mở rộng về
phía tần số thấp sau khi biến tính là do ảnh hưởng của các liên kết -OH trong nhóm
cacboxyl (-COOH). Phổ FTIR của Gr-COOH cho thấy sự xuất hiện đỉnh ở 2930
cm-1 sau khi được xử lý bằng hỗn hợp axit HNO3 và H2SO4, đỉnh này tương ứng với
dao động của liên kết -OH trong nhóm cacboxyl (-COOH). Ngoài ra sự xuất hiện
thêm của đỉnh 1708 cm-1 tương ứng với dao động của liên kết C = O trong nhóm
carboxyl. Đỉnh ở 1631 cm-1 được quy cho dao động trong mặt phẳng (C = C) của
than chì và dải ở 1091 cm-1 hiển thị dao động tương ứng với liên kết C-O. Những
kết quả trên đã chứng minh được sự tồn tại của nhóm cacboxyl xuất hiện trên bề
mặt graphene do quá trình oxy hóa xảy ra sau khi xử lý bằng hỗn hợp axit HNO3 và
H2SO4.
42
3.2. Kết quả phân tán graphene trong nền kem silicon
Kem tản nhiệt silicon nhiệt được sử dụng trong nghiên cứu này chứa các hạt với
kích thước không đồng nhất từ 1-5 và được phân bố đều trong nền kem (Hình
3.4a). Như thể hiện trong hình 3.4b, các thành phần chính của kem nhiệt là oxit
nhôm và oxit kẽm với kích thước khác nhau. Sự có mặt của oxit nhôm và oxit kẽm
góp phần hình thành cấu trúc dày đặc của kem silicon, qua đó nâng cao hệ số dẫn
nhiệt của kem với hệ số dẫn nhiệt cao hơn dầu silicon.
Hình 3.4. (a) Hình ảnh FESEM của kem silicon, (b) phổ EDS của kem silicon
Để xác định thời gian nghiền tối ưu nhất trong việc chế tạo kem tản nhiệt chúng
tôi đã chế tạo kem tản nhiệt ở các thời gian nghiền khác nhau: 0,5 giờ, 1 giờ, 1,5
giờ, 2 giờ, 2,5 giờ, 3 giờ, 3,5 giờ. Hình 3.5 là ảnh chụp kem tản nhiệt chứa 1%
43
graphene với thời gian nghiền khác nhau. Có thể nhận thấy, về mặt trực quan khi
tăng thời gian nghiền từ 30 phút lên đến 3 giờ thì màu sắc của kem tản nhiệt sẫm
dần, điều này cho thấy hiệu quả phân tán tăng theo thời gian nghiền và đạt được giá
trị tối ưu sau thời gian nghiền đủ lớn. Phương pháp FESEM tiếp tục được sử dụng
để khảo sát sự phân tán của graphene trong nền kem để xác định thời gian nghiền
tối ưu.
Hình 3.5. Hình ảnh mẫu kem được chế tạo với thời gian nghiền khác nhau
Hình 3.6. Ảnh FESEM của kem tản nhiệt chứa Gr-COOH theo thời gian nghiền.
44
Hình 3.6 là kết quả FESEM của kem nhiệt chứa Gr-COOH ở độ phân giải cao với
thời gian nghiền từ 1 đến 4 giờ. Kết quả cho thấy, với thời gian nghiền 1 giờ thì vẫn
còn hiện tượng tụ đám của graphene trong nền kem tản nhiệt. Khi tăng thời gian
nghiền lên thì hiện tượng tụ đám giảm xuống và graphene đạt hiệu quả phân tán tốt ở
thời gian nghiền ít nhất 3 giờ. So sánh giữa kết quả nghiền trong thời gian 3 giờ và 4
giờ thì thấy có sự tương đồng nhau về sự phân tán, vì vậy có thể kết luận thời gian
nghiền tối ưu để phân tán graphene trong nền kem tản nhiệt silicon là 3 giờ.
Hình 3.7. Ảnh FESEM sự phân tán của graphene trong kem
Hình 3.7 cho thấy hình ảnh FESEM của kem nhiệt có chứa Gr-COOH ở độ
phân giải cao, kết quả chỉ ra rằng graphene phân tán đồng đều trong kem và nền
silicon phủ đều lên tấm graphene. Như vậy, graphene nanoplatelets có khả năng
tương thích tốt và phân tán tốt trong kem silicon, qua đó tăng cường độ dẫn nhiệt
của kem.
Để quan sát sự phân bố của graphene trong kem silicon, kem sau khi chế tạo
được ủ tại 300 °C trong 3 giờ trong chân không để loại bỏ các chất kết dính hữu cơ.
Hình 3.8 cho thấy sự phân bố của các hạt oxit kim loại bám đều trên bề mặt
45
graphene trong nền kem sau khi ủ. Điều này chỉ ra rằng graphene cũng có sự tương
thích tốt với các hạt oxit kim loại trong kem silicon, do đó tăng cường độ dẫn nhiệt
của kem.
Hình 3.8. Ảnh FESEM sau khi nung cho thấy rõ sự xuất hiện của graphene bên
cạnh các hạt dẫn nhiệt.
Hình 3.9. Kết quả Raman của kem nhiệt chứa 1 % Graphene
46
Hình 3.9 là phổ Raman của kem nhiệt chứa 1 vol.% Gr-COOH. Trên kết quả
Raman của kem xuất hiện đỉnh đặc trưng của graphene, đỉnh G ở bước sóng 1584
cm-1 và đỉnh đặc trưng cho liên kết sp2 2D ở bước sóng 2682 cm-1. Như vậy, các
đỉnh đặc trưng graphene xuất hiện trong phổ Raman của kem tản nhiệt đã khẳng
định rằng graphene có sự tương thích, phân tán tốt và không biến đổi về mặt hóa
học khi pha trộn vào nền kem tản nhiệt silicon
3.3. Kết quả khảo sát độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt
Hình 3.10. Kết quả độ dẫn nhiệt với thời gian nghiền khác nhau
Hình 3.10 là kết quả khảo sát độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt chứa 1% graphene
theo thời gian nghiền khác nhau từ 30 phút đến 3,5 giờ. Kết quả khảo sát độ dẫn
nhiêt của kem với thời gian nghiền khác nhau cho thấy độ dẫn nhiệt tăng khi thời
gian nghiền mẫu tăng và độ dẫn nhiệt đạt giá trị bão hòa là 6,049 W/mK sau thời
gian nghiền 3 giờ. Điều này cho thấy sự ảnh hưởng của hiệu quả phân tán graphene
đến độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt là rất lớn. Khi tăng thời gian nghiền hơn 3 giờ
thì độ dẫn nhiệt không có sự thay đổi nhiều và đạt tới giá trị bão hòa, điều này là
phù hợp và một lần nữa khẳng định thời gian nghiền tối ưu là 3 giờ.
47
Hình 3.11 mô tả kết quả khảo sát sự phụ thuộc độ dẫn nhiệt của kem nhiệt với
nồng độ khác nhau của Gr-COOH. Trong luận văn này, k và k0 đại diện cho độ dẫn
nhiệt của kem chứa graphene và kem silicon, và (k – k0)/k0 là tỷ lệ tăng độ dẫn
nhiệt. Như thể hiện trong hình 3.8, độ tăng độ dẫn nhiệt của kem nhiệt với tỷ lệ Gr-
COOH 0,25%, 0,5%, 0,75%, 1,0% là 95%, 139%, 179%, 230%. Chúng tôi đã kiểm
tra sự phụ thuộc của độ dẫn nhiệt với tỷ lệ graphene trong kem nhiệt. Kết quả cho
thấy Gr-COOH 1,0 vol.% Có độ dẫn nhiệt cao nhất là 6,049 W/mK so với 1,829
W/mK kem silicon.
Hình 3.11. Kết qủa đo độ dẫn nhiệt của kem chứa graphene
Hình 3.12. Kết quả đo độ dẫn nhiệt của kem khi chứa dầu và không dầu.
48
Ngoài ra luận văn này chúng tôi đã khảo sát sự ảnh hưởng của dầu silicon với
kem nhiệt bằng cách phân tán Gr-COOH với dầu silicon (1:10) thu được hỗn hợp.
Sau đó trộn hỗn hợp vào kem silicon và chế tạo kem nhiệt như quy trình trên. Kết
quả khảo sát sự ảnh hưởng của dầu silicon với độ dẫn nhiệt của kem cho thấy, với
hàm lượng thể tích của graphene là 0,25%, 0,5%, 0,75%, 1% độ dẫn nhiệt của kem
tăng lên lần lượt là 80%, 64,28%, 62%, 26%. Kết quả này đã cho thấy sự khác biệt
về độ dẫn nhiệt khi cho thành phần dầu silicon. Với kem không chứa dầu độ dẫn
nhiệt của kem tăng theo hàm lượng graphene, trong khi với sự có mặt của thành
phần dầu silicon thì độ dẫn nhiệt của kem lại giảm dần khi hàm lượng của graphene
vượt quá 0,25%. Điều này được giải thích do nhóm nghiên cứu sử dụng dầu silicon
để hỗ trợ sự phân tán của graphene trong nền kem tản nhiệt. Tuy nhiên, việc đưa
thêm dầu silicon vào nền kem sẽ làm loãng kem tản nhiệt, làm giảm tỷ lệ của chất
đệm có độ dẫn nhiệt cao và tăng tỷ lệ của dầu silicon có độ dẫn nhiệt thấp, từ đó
dẫn đến độ dẫn nhiệt tổng thể của kem giảm.
3.3. Kết quả mô hình tính toán lý thuyết
Không giống như các mô hình cổ điển Maxwell hoặc mô hình HamiltonCrosser,
mô hình lý thuyết trung bình hiệu quả (EMT) của Maxwell-Garnett được đề xuất
bởi nhóm nghiên cứu Nan và Murshed xem xét nhiều yếu tố ảnh hưởng đến việc
tăng cường độ dẫn nhiệt cho các tính toán (EMT). Những yếu tố bao gồm hình
dạng, kích thước, tỷ lệ phân tán, tỷ lệ thể tích của vật liệu, sự vận chuyển nhiệt bất
đẳng hướng và sự vận chuyển nhiệt giữa vật liệu tải nhiệt và vật liệu nền. Tỷ lệ dẫn
nhiệt của kem tản nhiệt theo mô hình của Nan được ước tính bằng phương trình sau:
(1)
Trong đó Kc, Km, KGr lần lượt là độ dẫn nhiệt của kem nhiệt chứa graphene,
kem silicon (~ 2 W/mK) và graphene. Vì graphene sử dụng trong luận văn là đa lớp
nên KGr được ước tính là 2000 W/mK, là phần thể tích của Gr. Các tham số không
thứ nguyên (β11, β33) và các yếu tố hình dạng hình học (L11, L33) được định nghĩa
như sau:
11 11 33 33
11 11 33 33
3 2 1 (1 )
3 2
c
m
L LK
K L L
49
(2)
(3)
(4)
Tỷ lệ khung hình của ellipsoid (p) chủ yếu được xem xét cho các tấm graphene
và được định nghĩa là p = tGr/lGr với lGr ( 1 μm) và tGr ( 5 nm) lần lượt là chiều dài
và độ dày của tấm graphene, và
tương ứng với độ dẫn nhiệt tương đương
của kem nhiệt dọc theo hướng dọc và ngang với tác dụng của điện trở giao diện
nhiệt (R) được ước tính bởi biểu thức:
1
c Grii
ii Gr
m
KK
L K
K
(5)
Với
(6)
Trong đó điện trở vùng dao diện (TBR) đóng vai trò chính và ảnh hưởng mạnh
mẽ đến sự tăng cường độ dẫn nhiệt hiệu quả của kem nhiệt. TBR là giá trị không
xác định và có thể được ước tính bằng cách sử dụng các tính toán động lực phân tử
(MD) hoặc sử dụng EMT khớp với dữ liệu thực nghiệm [31]. Không có nghiên cứu
nào liên quan đến TBR của graphene và nền kem silicon được tiến hành và báo cáo
cho đến nay. Chỉ một vài bài báo liên quan đến chủ đề với sự có mặt của graphene.
Hơn nữa, không có bất kỳ chất hoạt động bề mặt nào được sử dụng và sự hiện diện
của các điện trở bổ sung đã bị bỏ qua trong thí nghiệm của chúng tôi. Bằng mô
phỏng MD, Cha và cộng sự cũng xác nhận rằng việc thêm chất hoạt động bề mặt có
thể giúp cải thiện trạng thái phân tán, nhưng tính chất nhiệt bên trong của chúng sẽ
bị giảm đi. Trong luận văn này R (TBR) được tìm thấy là 2 x 10-9 m2kW-1 và được
thử nghiệm trong mô hình Nan. Kết quả cho thấy với TBR này hoàn toàn phù hợp
với kết quả thực nghiệm.
11 3311 33
11 11 33 33
;( ) ( )
c c
m m
c c
m m m m
K K K K
K L K K K L K K
21
11 2 2 3/2cosh
2( 1) 2(1 )
p pL p
p p
33 111 2L L
(1 2 ) m
Gr
RKp
t
50
Hình 3.13. Mô hình tính toán Nan
Cùng với TBR, độ dẫn nhiệt lớp giao thoa (Ki) giữa vật liệu graphene và nền
silicon cũng là một vấn đề quan trọng có thể được ước tính bằng cách sử dụng mô
hình của Murshed.
2 2 2 2
1 1
2 2 2
1 1
( ) ( 1) ( ) ( )
( ) ( ) ( 1)
Gr i i Gr i i m m
c
Gr i Gr i
K K K y K K y K K KK
K K K K y
(7)
Grtt /11
(8)
Grtt /21
(9)
Trong đó t = 2 nm là độ dày của lớp giao thoa giữa vật liệu graphene và kem
silicon. Bằng cách sử dụng mô hình của Murshed với Ki phù hợp với các giá trị thí
nghiệm. Sự cải thiện của Ki được cho là do diện tích bề mặt cao và liên kết tốt giữa
Gr với kem nền silicon tương tự như TBR. Tóm lại, TBR và Ki là các yếu tố thiết
yếu ảnh hưởng đến việc tăng cường độ dẫn nhiệt hiệu quả và có thể được cải thiện
bằng cách sử dụng các kỹ thuật chức năng phù hợp và tăng diện tích bề mặt nano.
Bằng cách phân tích kết quả thử nghiệm sử dụng mô hình EMT và Murshed, TBR
và Ki giữa vật liệu graphene và nền kem silicon được tìm thấy lần lượt là 2 x 10-9
m2kW-1 và 150 W.m-1.K-1.
51
Hình 3.14. Mô hình tính toán của Murshed
3.4. Kết quả thử nghiệm tản nhiệt cho bộ xử lý Intel Core i5
Hình 3.15 là liên quan đến khảo sát nhiệt độ cho thấy nhiệt độ thí nghiệm của
bộ vi xử lý theo thời gian làm việc khi sử dụng kem nhiệt. Tại thời điểm ban đầu,
nhiệt độ của bộ vi xử lý là khoảng 32 , sau khoảng 240 giây, nhiệt độ đạt đến độ
bão hòa. Nhiệt độ bão hòa của bộ vi xử lý đạt 62 khi sử dụng kem nhiệt silicon và
nó đạt tới 61 , 60 , 59 , 58 với kem nhiệt silicon có chứa Gr-COOH tương
ứng với 0,25%, 0,5%, 0.75%, 1%. Tương tự, mức giảm nhiệt độ bão hòa của CPU
được tính là 1 , 2 , 3 , 4 tương ứng với kem nhiệt chứa 0,25, 0,5, 0,75 và
1,0%. Nhiệt độ bão hòa thấp nhất của CPU là 58 với kem chứa 1,0% Gr-COOH.
Như vậy so với kem silicon, nhiệt độ bão hòa của bộ xử lý sử dụng kem nhiệt chứa
1,0% Gr-COOH giảm 4 .
52
Hình 3.15. Kết quả khảo sát nhiệt độ bộ vi xử lý theo thời gian hoạt động trong
trường hợp sử dụng kem nhiệt
Áp dụng phương trình Arhenius ta có:
T= 100 2.
t
T
(*)
là độ tăng nhiệt độ
T0 là tuổi thọ ở chế độ thông thường
T là tuổi thọ thiết bị có kem tản nhiệt đang khảo sát
Từ phương trình (*) ta tính được độ tăng tuổi thọ của thiết bị chứa kem tản
nhiệt graphene được tính theo công thức (**).và kết quả được thể hiện như hình
3.16.
)12.(2. 1000
1000
tt
TTTTTT
%100).12()12.(
% 10
0
100
tt
T
TT (**)
53
Hình 3.16. Kết quả độ tăng tuổi thọ của kem tản nhiệt graphene so với kem silicon
Kết quả cho thấy với nồng độ graphene 0,25%, 0,5%, 0,75%, 1,0% độ tăng
tuổi thọ của thiết bị được tản nhiệt bằng kem chứa thành phần graphene so với kem
silicon lần lượt là 7%, 15%, 23%, 32%. Như vậy với quy luật nhiệt độ hoạt động
của thiết bị tăng 10 tuổi thọ sẽ giảm một nửa của phương trình Arrhenius ta thấy
với kem tản nhiệt chứa 1% graphene nhiệt độ hoạt động giảm 4 thì tuổi thọ thiết
bị tăng 32% so với khi dùng kem silicon.
54
KẾT LUẬN
Sau quá trình thực hiện luận văn: “Nghiên cứu chế tạo kem tản nhiệt chứa
thành phần graphene nanoplatelets” tôi đã thu được những kết quả khoa học chính
bao gồm:
1. Đã thành công trong việc lựa chọn và biến tính gắn nhóm chức –COOH lên
graphene để giúp phân tán và tạo ra sự tương thích tốt giữa graphene với nền
silicon. Kết quả Raman cho thấy cácbon sp2 (C = C) đã được chuyển đổi thành
cácbon sp3 (C - C) trên bề mặt graphene sau khi xử lý trong hỗn hợp axit
HNO3/H2SO4. Kết quả FTIR cho thấy sự xuất hiện của các nhóm carboxyl trên bề
mặt graphene sau quá trình biến tính xử lý bằng hỗn hợp axit HNO3 và H2SO4.
2. Đã thành công trong việc phân tán đồng đều graphene vào nền silicon bằng
cách sử dụng thiết bị nghiền bi năng lượng cao (8000D Mixer/Mill). Vật liệu
graphene được đưa vào nền kem silicon với các nồng độ khác nhau (0,25%-1%) và
thời gian nghiền khác nhau (từ 0,5h đến 4h). Kết quả FESEM cho thấy graphene có
khả năng tương thích tốt và phân tán tốt trong nền kem silicon, qua đó tăng cường
độ dẫn nhiệt của kem.
3. Đã khảo sát và tìm được giá trị tối ưu hóa độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt
graphene. Kết quả khảo sát độ dẫn nhiệt phụ thuộc thời gian nghiền cho thấy với
thời gian 3 giờ độ dẫn nhiệt đạt kết quả bão hòa. Kết quả khảo sát độ dẫn nhiệt của
kem phụ thuộc vào nồng độ Gr-COOH cho thấy độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt tăng
lên tương ứng với nồng độ Gr-COOH và đạt 230% tương ứng với 1% Gr-COOH.
4. Đã áp dụng thành công mô hình tính toán Nan cùng mô hình Murshed và so
sánh với kết thực nghiệm để xác định hệ số điện trở vùng giao diện (TBR) và dẫn
nhiệt lớp giao thoa (Ki). Kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm cho thấy TBR
và Ki lần lượt là 2 x 10-9 m2kW-1 và 150 W.m-1.K-1.
5. Đã ứng dụng thử nghiệm kem tản nhiệt cho bộ xử lý Intel Core i5. Hiệu quả
tản nhiệt của kem chứa thành phần graphene cho bộ vi xử lý PC được kiểm tra và
đánh giá. So với kem silicon, nhiệt độ bão hòa của bộ xử lý sử dụng kem nhiệt chứa
1,0% Gr-COOH giảm 4 . Các kết quả thu được cho thấy lợi ích và hiệu quả của
việc sử dụng cho kem nhiệt graphene cho bộ vi xử lý và các thiết bị điện tử công
suất cao khác. Áp dụng phương trình Arrhenius cho thấy tuổi thọ thiết bị tăng 32%
khi sử dụng kem tản nhiệt graphene so với kem silicon.
55
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
Bài báo quốc tế
- Mai Thi Phuong, Bui Anh Tuan, Tran Van Hau, Pham Van Trinh, Nguyen
Nang Dinh, Phan Ngoc Minh and Bui Hung Thang, “Application of Graphene
Silicon Grease in heat dissipation for the Intel Core i5 Processor”, International
Journal on Informatics Visualization, vol 3 (2019), No.2-2.
- M.T. Phuong, P.V. Trinh, N.V. Tuyen, N.N. Dinh, P.N. Minh, N.D. Dung
and B.H. Thang, “Effect of Graphene Nanoplatelet Concentration on the Thermal
Conductivity of Silicone Thermal Grease”, JOURNAL OF NANO- AND
ELECTRONIC PHYSICS, 2019
Hội nghị quốc tế
- Mai Thi Phuong, Nguyen Ngoc Anh, Bui Hung Thang, Phan Ngoc Minh,
“Applications of graphene nanoplatelets in Silicon thermal grease”, ACCMS-
Theme Meeting on Multiscale Modelling of Materials for Sustainable Development
(ACCMS-TM 2018), Ha Noi, Vietnam;
- Mai Thi Phuong, Nguyen Ngoc Anh, Nguyen Van Hau, Bui Hung Thang,
Nguyen Nang Dinh and Phan Ngoc Minh, “High thermal conductivity of thermal
grease containing graphene and Multi-walled carbon nanotubes”, The 9th
International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology,
2018, Vietnam;
- Mai Thi Phuong, Bui Hung Thang, Phan Ngoc Minh, “Enhancing thermal
conductivity of silicon greases containing graphene nanoplatelets”, Proceedings of
The 6th Asian Symposium on Advanced Materials: Chemistry, Physics &
Biomedicine of Functional and Novel Materials 2017, Hanoi, Vietnam.
Hội nghị quốc gia
- Mai Thị Phượng, Bùi Hùng Thắng, Phạm Văn Trình, Phan Ngọc Hồng,
Phan Ngọc Minh, “Nghiên cứu kem tản nhiệt nền silicon chứa thành phần
graphene”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Vật lý Chất rắn và Khoa học Vật liệu Toàn
quốc – SPMS-2017, Huế.
56
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu tham khảo tiếng Việt
1. Nguyễn Năng Định (2005), Vật lý và kỹ thuật màng mỏng, Nhà xuất bản đại
học Quốc gia Hà Nội.
2. Cao Thị Thanh (2018), Nghiên cứu chế tạo vật liệu ống nanô cácbon định
hướng và vật liệu graphene nhằm ứng dụng trong cảm biến sinh học, Luận án Tiến
sỹ Khoa học vật liệu, Học viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
3. Bùi Hùng Thắng (2010), Mô phỏng và thực nghiệm quá trình tản nhiệt cho vi
xử lý máy tính, Luận văn Thạc sĩ Vật liệu và Linh kiện nano, Đại học Công nghệ.
4. Nguyễn Văn Tú (2013), Nghiên cứu công nghệ tổng hợp vật liệu graphene
đa lớp và định hướng ứng dụng, Luận văn Thạc sĩ Vật liệu và Linh kiện nano, Đại
học Công nghệ.
Tài liệu tham khảo tiếng Anh
5. A.A. Balandin et al. (2008), “Superior Thermal Conductivity of Single-Layer
Graphene”, Nano Lett., 8(3), pp.902-907.
6. A. Mura, F. Curà, and F. Adamo (2018), “Evaluation of graphene grease
compound as lubricant for spline couplings”, Tribol. Int., 117, pp.162-167.
7. B. H. Thang, P. V. Trinh, N. T. Huong, P. H. Khoi, P. N. Minh (2014), “Heat
dissipation for the Intel Core i5 processor using multiwalled carbon-nanotube-
based ethylene glycol”, J. Korean Phys. Soc., 65, pp.312-316.
8. Bezmel'nitsyn N, Eletskii V, Okun' V (1998), “Fullerenes in solutions”,
Physics-Uspekhi 41, 11, 1091
9. Conrad, Shanny, Minh, Steve (2012), “Electronic Structure - Electron
configuration and Valance Electron”, Chemistry 11 Block 2-1.
10. C.-K. Leong and D.D.L. Chung (2003), “Carbon black dispersions as
thermal pastes that surpass solder in providing high thermal contact conductance”,
Carbon N. Y., 41(13), pp.2459-2469.
57
11. C. Lee, X. Wei, J.W. Kysar, and J. Hone (2008), “Measurement of the Elastic
Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene”, Science., 321(5887),
pp.385-388.
12. C.P. Feng et al. (2019), “Superior thermal interface materials for thermal
management”, Compos. Commun., 12, pp.80-85.
13. Danilenko V, “On the History of the Discovery of Nanodiamond Synthesis”,
Physics of the Solid State (2004) 46, 4, 581
14. D.D. Chung (2001), “Materials for thermal conduction”, Appl. Therm. Eng.,
21(16), pp.1593-1605.
15. F. Sarvar, D. Whalley, and P. Conway (2006), “Thermal Interface Materials
- A Review of the State of the Art”, 2006 1st Electron. Syst. Technol. Conf., 2,
pp.1292-1302.
16. J. Hansson, T.M.J. Nilsson, L. Ye, and J. Liu (2018), “Novel nanostructured
thermal interface materials: a review”, Int. Mater. Rev., 63(1), pp.22-45.
17. J.R. Gaier, Y. YoderVandenberg, S. Berkebile, H. Stueben, and F. Balagadde
(2003), “The electrical and thermal conductivity of woven pristine and intercalated
graphite fiber-polymer composites”, Carbon N. Y., 41(12), pp.2187-2193.
18. J. Jang, J. Bae, S. Yoon (2003), “A study on the effect of surface treatment of
carbon nanotubes for liquid crystalline epoxide–carbon nanotube composites”, J.
Mater. Chem., 13, pp.676-681.
19. J. Zhang, H. Zou, Q. Qing, Y. Yang, Q. Li, Z. Liu, X. Guo, Z. Du (2003),
“Effect of chemical oxidation on the structure of single-walled carbon nanotubes”,
J. Phys. Chem. B, 107, pp.3712- 3718.
20. H. Chen, H. Wei, M. Chen, F. Meng, H. Li, and Q. Li (2013), “Enhancing
the effectiveness of silicone thermal grease by the addition of functionalized carbon
nanotubes”, Appl. Surf. Sci., 283, pp.525-531.
21. H.T. Bui, V.C. Nguyen, V.T. Pham, T.T.T. Ngo, and N.M. Phan (2011),
“Thermal dissipation media for high power electronic devices using a carbon
nanotube-based composite”, Adv. Nat. Sci. Nanosci. Nanotechnol., 2(2), p.025002.
58
22. H. W. Kroto, J. R. Heath, S. C. O'brien, R. F. Curl & R. E. Smalley (1985),
“C60: Buckminsterfullerene”, Nature 318, 162
23. K.I. Bolotin et al., (2008), “Ultrahigh electron mobility in suspended
graphene”, Solid State Commun., 146(9-10), pp.351-355.
24. K.S. Novoselov (2004), “Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon
Films,” Science, 306(5696), pp.666-669.
25. Lijima Sumio (1991), “Helical microtubules of graphitic carbon”, Nature
354, 56
26. L.C. Sim, S.R. Ramanan, H. Ismail, K.N. Seetharamu, and T.J. Goh, Jun.
(2005), “Thermal characterization of Al2O3 and ZnO reinforced silicone rubber as
thermal pads for heat dissipation purposes”, Thermochim. Acta, 430(1-2), pp.155-
165.
27. Mitura S (2012),“ Nanodiamonds”, Journal of Achievements in Materials
and Manufacturing Engineering 24, 1, 166
28. M. Lundstrom (2002), “Is nanoelectronics the future of microelectronics?,”
in Proceedings of the International Symposium on Low Power Electronics and
Design, pp.172–177.
29. M. Iyengar, K. J. L. Geisler, and B. Sammakia (2014), “Cooling of
Microelectronic and Nanoelectronic Equipment”, WORLD SCIENTIFIC, vol. 3.
30. Novoselov S, Geim K, Morozov V, Jiang D, Zhang Y, Dubonos V,
Grigorieva V, Firsov A (2004), “Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon
Films”, Science 306, 666
31. Pham Van Trinh, Nguyen Ngoc Anh, Nguyen Tuan Hong, Phan Ngoc Hong,
Phan Ngoc Minh, Bui Hung Thang (2018), “Experimental study on the thermal
conductivity of ethylene glycol-based nanofluid containing Gr-CNT hybrid
material”, Journal of Molecular Liquids, 269, pp.344-353.
32. P. Falkowski, R. J. Scholes, E. Boyle, J. Canadel, D. Canfield, J. Elser, N.
Gruber, K. Hibbard, P. Högberg, S. Linder, F. T. Mackenzie, B. Moore III, T.
Pedersen, Y. Rosenthal, S. Seitzinger, V. Smetacek, W. Steffen (2000),“The Global
59
Carbon Cycle: A Test of Our Knowledge of Earth as a System”, Science 290, 5490,
291
33. S. Seki, R. Endoh, and M. Takeda (2018), “Evaluation of thermal resistance
of various thermal grease”, in 2018 International Conference on Electronics
Packaging and iMAPS All Asia Conference (ICEP-IAAC), pp.576-578.
34. S. Shaikh, K. Lafdi, and E. Silverman (2007), “The effect of a CNT interface
on the thermal resistance of contacting surfaces”, Carbon N. Y., 45(4), pp.695-703.
35. S.-Y. Lee, P. Singh, and R.L. Mahajan (2019), “Role of oxygen functional
groups for improved performance of graphene-silicone composites as a thermal
interface material”, Carbon N. Y., 145, pp.131-139.
36. T. Tomimura, S. Nomura, and M. Okuyama (2007), Simple Measuring
Method of Thermal Conductivity of Silicone Grease and Effect of Carbon
Nanomaterials on Its Thermal Conductivity, in ASME/JSME 2007 Thermal
Engineering Heat Transfer Summer Conference, 3, pp.449-453.
37. R. Viswanath, M. Group, and I. Corp (2000), “Thermal Performance
Challenges from Silicon to Systems”, Intel Technol. J. Q3, pp.1-16.
38. W. Zhou, S. Qi, C. Tu, H. Zhao, C. Wang, and J. Kou (2007), “Effect of the
particle size of Al2O3 on the properties of filled heat-conductive silicone rubber”, J.
Appl. Polym. Sci., 104(2), pp.1312-1318.
39. W.-Y. Zhou, S.-H. Qi, H.-Z. Zhao, and N.-L. Liu (2007), “Thermally
conductive silicone rubber reinforced with boron nitride particle”, Polym.
Compos., 28(1), pp.23-28.
40. W. Yu, H. Xie, L. Yin, J. Zhao, L. Xia, and L. Chen (2015), “Exceptionally
high thermal conductivity of thermal grease: Synergistic effects of graphene and
alumina”, Int. J. Therm. Sci., 91, pp.76-82.
41. W. Yu, H. Xie, L. Chen, Z. Zhu, J. Zhao, and Z. Zhang (2014), “Graphene
based silicone thermal greases”, Phys. Lett. A, 378(3), pp.207-211.