石墨烯的秘密-超高熱傳導測試技術

        ​隨著科技開發與時代的演進，材料的研究已越來越精細，開發的等級也隨著新時代科學技術研究，正式進入奈米相關研究領域，並且進入在我們的生活當中。

        ​​石墨是指尺寸為奈米級的超細材料，肉眼甚至一般的顯微鏡都難以看到。在奈米材料中，石墨烯(Graphene)是最知名的奈米材料之ㄧ。石墨成分為碳，碳的同素異型體可以分為C60、一維的奈米碳管以及二維的石墨烯。石墨烯由單層碳原子所組成的二維材料，由英國曼徹斯特大學的K.S.Novoselov 和A.K.Geim在實驗室中使用力學剝離的方式，成功將石墨烯分離，兩位科學家因此在西元2010年獲得諾貝爾-物理獎。

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​        石墨烯是目前世界上已知材料中強度最大、厚度最薄且幾乎完全透明的奈米材料，擁有高機械性，極優良的導熱性、導電性、透光性、韌性及極小電阻率。石墨烯導熱性質高於奈米碳管及金銀銅、電阻率比銀和銅更低，其電阻率極低，內部電子傳遞的速度極快，因此可用來發展出導電速度更快且超薄的新一代電子元件。

        石墨烯在美國、英國、中國和日本等許多國家早已著手研究奈米科學及碳材料開發應用，應用範圍極廣，從石墨烯獨特的力學、物理性能和電性各方面都有極大的發展空間，來開發出石墨烯的相關元件及新材料。如使用在複合材料方面會更有廣闊的應用，石墨烯缺陷少、結構緻密，其強度比通用級碳纖維高，也可作為複合材料的增強體製備高性能的複合材料，不論是在電子產業、複合材料或是儲能領域上等極具開發潛力。
 
        從過去至現在，製備石墨烯材料的方法有機械剝離法、磊晶成長法、化學剝離法及化學氣相沉積法(CVD)，其中機械剝離法及磊晶成長法都會得到較佳的石墨烯，但較無法大面積生產；化學剝離法及化學氣相沉積法(CVD)則具有規模化量產的特性，較容易進行材料改質以反映製造良率及成本問題，然而現今卻無完整測試方法可測出石墨烯膜的熱傳導係數。HOT DISK系統採用的圓片狀感測器-瞬間接觸式測量法，在符合ISO22007-2.2國際規範下，使用Slab method 可有效測試石墨烯膜的超高熱導係數，做為在石墨烯膜製程或成品上散熱能力的評斷標準。

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樣品介紹: 
石墨烯膜A、B二張:

A-石墨烯膜大小: 30cm x 30cm，厚度0.025 mm

B-石墨烯膜大小: 30cm x 30cm，厚度0.025 mm

​測量設備: 
HOT DISK-TPS 2500s

測試原理&測試方法: 
       HOT DISK的測量原理是基於瞬變平面熱源法(Transient Plane Source Method，簡稱TPS)。在此方法中，感測器為一平面的探頭，探頭由導電金屬-鎳，經刻蝕處理後形成連續雙螺旋薄片結構，探頭外層以雙層Kapton做為保護層，其厚度只有0.025 mm；Kapton令探頭具有一定的機械強度，同時保持探頭與樣品間的電絕緣性；探頭通常被放置於兩片樣品中間進行測試。HOT DISK提供了不同材質、尺寸與構造的探頭供客戶選擇，適用於各種不同性質樣品的測試。在測試過程中，電流通過鎳時產生一定熱源使感測器溫度上升，所產生之熱量同時向感測器兩側的樣品進行擴散，熱擴散速度仰賴於材料之熱傳導特性，儀器經由記錄溫度及探頭的反應時間，無須輸入樣品比熱或密度即可計算出材料的熱傳導係數值。

Slab Sheets Method 高熱傳片狀材料測試方法: 
        此測試方法無論是在研究或製程上，專測量具有中、高熱傳及熱擴散性質的導電材料，材料須具有一定的厚度，將樣品置於二塊平板和HOT DISK感測器中間。此測量方法主要測出材料橫向熱傳導及熱擴散係數(X-Y熱傳導&熱擴散)，高熱導材料上下必須以低熱導材料或絕緣材夾住，以減少週遭環境的熱損失。

      石墨烯膜非常薄，在ISO22007-2.2規範中可使用Slab method來做高熱導測試，Slab method在HOT DISK TPS2500s可量測熱傳導值至1500 W/mK。在此測試模式中，因樣品最低厚度須達0.072 mm以上來符合感測器測試條件，Slab method主要測試樣品橫向(X-Y)熱導，故我們可以將樣品剪裁成大小5x5 cm，樣品一層約0.025 mm，須堆疊至0.075 mm來進行熱傳導係數測試。 

圖一、Graphene film堆疊測試示意圖

測試條件: 
測試功率:1 W 
測試時間:1 sec 
測試次數:3 次
測試時間間隔: 5 min 
感測器型號: 7577 sensor 
背景材料:尼龍泡棉

測試結果: 
A、B重複測試三次量測結果，測量熱傳導係數值

​結論: 
        石墨烯膜因熱傳導值非常高，故在條件設定上，測試時間須設為一秒，並利用軟體分析功能在一秒測試時間內擷取到A與B組的熱傳導資訊。結果經由HOT DISK測試分析計算後，無須另外再做數值換算即可得到熱傳導結果。從以上再現性測試可發現材料的熱傳導穩定性，因現今並未對石墨烯膜有特定標準規範可進行測試，在使用符合ISO22007-2.2的測驗方法，可做為製程或成品上散熱能力的評估依據，做改質或產品檢驗等應用。