石墨烯复合材料的低温特性——从热导体到热绝缘体的演变

低温半导体电子学与超导量子计算的发展需要既能导热又能隔热的复合材料。我们证明,在低温下,石墨烯复合材料的热导率可高于或低于参照的纯环氧树脂,取决于石墨烯填料负载量与温度。存在一个明确的交叉温度——高于该温度时,复合材料热导率随石墨烯添加而升高;低于该温度时,热导率随石墨烯添加而降低。这一反直觉趋势可由低温下热传导的特殊性解释:石墨烯填料既可充当基体材料中声子的散射中心,也可充当热传导通道。我们给出一个物理模型,通过低温下热边界电阻作用的增强以及变为温度依赖的异常热渗流阈值来解释实验趋势。所得结果表明,有可能在低温下利用石墨烯复合材料同时实现散热与组件热绝缘——这一能力对量子计算及低温冷却的传统电子学至关重要。