ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘIlib.uet.vnu.edu.vn/bitstream/123456789/1083/1/nội dung... · 2019. 12. 26. · ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

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


- 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


- 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]

https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/graphene-sheet

https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/silicones

https://www.sciencedirect.com/topics/chemical-engineering/agglomeration

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.

Documents

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘIlib.uet.vnu.edu.vn/bitstream/123456789/1083/1/nội dung... · 2019. 12. 26. · ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ