(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリックス材料全体に分布した細長い熱伝導性粒子を有する伝導性パーコレーションネットワークを含む組成物において、
前記細長い熱伝導性粒子が被覆された細長い粒子であり、被覆された細長い粒子が、被覆カーボンナノチューブ、被覆グラフェンシート、被覆された細長い黒鉛粒子およびこれらの混合物から本質的に構成される群から選択され、被覆された細長い粒子が、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｔｅ、Ｃｄ、Ｓ、Ｓｅ、Ｈｇ、Ｐ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、これらのうちの２つの元素の任意の原子比率での組み合わせ、これらのうちの３つの元素の任意の原子比率での組み合わせ、およびこれらのうちの他の組み合わせの１つまたは複数を含むコーティング材料で被覆され、かつ前記マトリックス材料が、有機高分子材料、無機高分子材料、高分子有機金属材料およびこれらの組み合わせ、から本質的に構成される群から選択される、組成物。
【請求項２】
前記細長い熱伝導性粒子が、前記組成物の２０容量％を超えない容量％を構成し、前記マトリックス材料が、前記組成物の少なくとも８０容量％を構成し、かつ
前記細長い熱伝導性粒子が、
ｉ）（ａ）少なくとも２５：１；
（ｂ）少なくとも４０：１；および
（ｃ）少なくとも１００：１；
のうちの１つの平均アスペクト比；
ｉｉ）０．１〜５００ナノメートルの平均厚さ；および
ｉｉｉ）１０〜１，０００ミクロン（μｍ）の平均長さ；
のうちの１つまたは複数を有する、請求項１に記載の組成物。
【請求項３】
パーコレーションネットワークが、三次元ネットワークであり、細長い熱伝導性粒子が、マトリックス材料全体にわたり等方向的に分布し、伝導性パーコレーションネットワークが複数の低抵抗経路を有し、低抵抗経路が低熱境界抵抗を有し、パーコレーションネットワークを形成する少なくとも一部の細長い熱伝導性粒子が、細長い熱伝導性粒子当たり少なくとも２つの低抵抗経路を有し、かつ少なくとも２つの低抵抗経路が１つの細長い熱伝導性粒子と少なくとも２つの他の細長い熱伝導性粒子との間にある、請求項１に記載の組成物。
【請求項４】
伝導性パーコレーションネットワークが、熱伝導性であり、かつ組成物が少なくとも２Ｗｍ−１Ｋ−１の熱伝導率を有する請求項１に記載の組成物。
【請求項５】
伝導性パーコレーションネットワークが、電荷キャリアおよびフォノン伝導性ネットワークの一方または両方を含む請求項１に記載の組成物。
【請求項６】
有機高分子材料が、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリビニル、ポリアクリル酸、ポリハロオレフィン、ポリジエン、ポリオキシド／エーテル／アセタール、ポリスルフィド、ポリエステル／チオエステル、ポリアミド／チオアミド、ポリウレタン／チオウレタン、ポリウレア／チオウレア、ポリイミド／チオイミド、ポリ酸無水物／チオ酸無水物、ポリカーボネート／チオカーボネート、ポリイミン、ポリケトン／チオケトン、ポリスルホン／スルホキシド／スルホン酸塩／スルホンアミド、ポリフェニレンのホモポリマー、ブロック共重合体、高分子混合物およびブレンド、高分子合金、および共重合体、ならびにこれらの混合物、から本質的に構成される群から選択される請求項１に記載の組成物。
【請求項７】
被覆カーボンナノチューブが、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、少数層カーボンナノチューブ、および多層カーボンナノチューブのうちの少なくとも１つ、または単層および多層カーボンナノチューブの混合物のうちの１つを含み、かつ無機高分子材料が、ポリシラン、ポリゲルマン、ポリスタンナン、ポリボラジレン、ポリホスファゼン、ポリシロキサン、ポリジメチルシロキサン、ポリメチルヒドロシロキサン、ポリジフェニルシロキサン、ポリシラザン、ペルヒドロポリシラザン、ポリ（ジクロロホスファゼン）、ポリ（窒化硫黄）、ポリチアジル、およびポリスルフィド、またはこれらの混合物から本質的に構成される群から選択される請求項６に記載の組成物。
【請求項８】
コーティングが短い電子フォノン結合長さを有し、かつコーティングが、１０−２ｃｍを超えない電子フォノン結合長さを有する請求項７に記載の組成物。
【請求項９】
第１の熱エネルギーを受けるための第１の表面；
第２の熱エネルギーを出力するための第２の表面；および
第１の表面と第２の表面との間に配置され、かつマトリックス材料に全体にわたり分布した細長い熱伝導性粒子を有する熱伝導性の伝導性パーコレーションネットワークを含む複合材料を含み、第１の熱エネルギーが、第２の熱エネルギーより大きく、前記細長い熱伝導性粒子が被覆された細長い粒子であり、被覆された細長い粒子が、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｔｅ、Ｃｄ、Ｓ、Ｓｅ、Ｈｇ、Ｐ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、これらのうちの２つの元素の任意の原子比率での組み合わせ、これらのうちの３つの元素の任意の原子比率での組み合わせ、およびこれらのうちの他の組み合わせの１つまたは複数を含むコーティング材料で被覆され、被覆された細長い粒子が、被覆された細長いナノチューブ、被覆グラフェンシート、被覆された細長い黒鉛粒子およびこれらの混合物から本質的に構成される群から選択され、かつ前記マトリックス材料が、有機高分子材料、無機高分子材料、高分子有機金属材料およびこれらの組み合わせ、から本質的に構成される群から選択されるシステム。
【請求項１０】
以下のｉ）〜ｉｖ）：
ｉ）細長い熱伝導性粒子が、前記複合材料の２０容量％を超えない容量％を構成する；
ｉｉ）細長い熱伝導性粒子が、少なくとも２５：１の平均アスペクト比を有する；
ｉｉｉ）細長い熱伝導性粒子が、０．１〜５００ナノメートルの平均直径および厚さのうちの少なくとも１つを有する；および
ｉｖ）細長い熱伝導性粒子が、１０〜１，０００ミクロン（μｍ）の平均長さを有する、
のうちの少なくとも１つが真であり、コーティングが１０−２ｃｍを超えない電子フォノン結合長さを有し、マトリックス材料が前記複合材料の少なくとも８０容量％を構成し、有機高分子材料が、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリビニル、ポリアクリル酸、ポリハロオレフィン、ポリジエン、ポリオキシド／エーテル／アセタール、ポリスルフィド、ポリエステル／チオエステル、ポリアミド／チオアミド、ポリウレタン／チオウレタン、ポリウレア／チオウレア、ポリイミド／チオイミド、ポリ酸無水物／チオ酸無水物、ポリカーボネート／チオカーボネート、ポリイミン、ポリケトン／チオケトン、ポリスルホン／スルホキシド／スルホン酸塩／スルホンアミド、ポリフェニレンのホモポリマー、ブロック共重合体、高分子混合物およびブレンド、高分子合金、ならびに共重合体、ならびにこれらの混合物から本質的に構成される群から選択され、無機高分子材料が、ポリシラン、ポリゲルマン、ポリスタンナン、ポリボラジレン、ポリホスファゼン、ポリシロキサン、ポリジメチルシロキサン、ポリメチルヒドロシロキサン、ポリジフェニルシロキサン、ポリシラザン、ペルヒドロポリシラザン、ポリ（ジクロロホスファゼン）、ポリ（窒化硫黄）、ポリチアジル、およびポリスルフィド、またはこれらの混合物から本質的に構成される群から選択され、パーコレーションネットワークが三次元ネットワークであり、伝導性パーコレーションネットワークが複数の低抵抗経路を有し、低抵抗経路が低熱境界抵抗を有し、少なくとも一部のパーコレーションネットワークを形成する細長い熱伝導性粒子が細長い熱伝導性粒子当たり少なくとも２つの低抵抗経路を有し、少なくとも２つの低抵抗経路が１つの細長い熱伝導性粒子と少なくとも２つの他の細長い熱伝導性粒子との間にあり、伝導性パーコレーションネットワークが熱伝導性であり、複合材料が少なくとも２Ｗｍ−１Ｋ−１の熱伝導率を有し、伝導性パーコレーションネットワークが電荷キャリアおよびフォノン伝導性ネットワークの片方または両方を含み、システムが、パワーエレクトロニクスシステム、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、コンピュータシステム、集積回路チップ、中央処理装置、集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレー、グラフィックスプロセシングユニット、マイクロプロセッサグリッドアレイ、フリップチップボールグリッドアレイ、光電池、トランジスタ、オーディオアンプ、ヒートパイプジョイント、進行波管増幅器、パワーエレクトロニクス部品、遠隔操作航空機、無人飛行体、超小型飛行体、Ｆ−２２航空機システム、Ｆ−３５航空機システム、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ、指向性エネルギー兵器、固体レーザーシステム、高電圧電子部品システム、レーザーシステム、ソリッドステートリレー、高出力レーザーシステム、高出力レーダーシステム、高出力車両ラジエータシステム、相補型金属酸化膜半導体システム、電気通信システム、能動センシングシステム、画像処理システム、ＬＥＤ固定システム、電気および電子部品用のハウジングおよび筐体システムのうちの少なくとも１つ、電気コネクタシステム、自動車用アンダフード冷却システム、高性能車両用ラジエータエンドキャップシステム、燃料ポンプシステム、高温流体輸送用のパイプおよび管システムのうちの少なくとも１つ、電気自動車のＩＧＢＴ／ＣＭＯＳ冷却適用システム、キャパシタシステム、ウルトラキャパシタシステム、熱伝導性接着剤システム、およびこれらの組み合わせのうちの１つを含み、第１の表面が、第２の表面より高い温度であり、第２の表面が、ヒートシンク、ヒートスプレッダまたはこれらの組み合わせのうちの少なくとも１つであり、かつ第１の表面が、
ａ）バイポーラトランジスタ；
ｂ）銅層；
ｃ）トランジスタ基板；
ｄ）集積回路プロセッサ；
ｅ）中央処理装置；
ｆ）集積回路；
ｇ）ゲートアレイ；
ｈ）グラフィックスプロセシングユニット；
ｉ）マイクロプロセッサチップ；
ｊ）フリップチップボールグリッドアレイ；
ｋ）光電池；
ｌ）加熱管；
ｍ）進行波管増幅器および進行波管増幅器ハウジング；
ｎ）パワーエレクトロニクス部品；
ｏ）金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ；
ｐ）伝導性ナノコンポジット；
ｑ）１つまたは複数の固体レーザー部品、ケーシング、およびレーザー駆動高電圧電子部品；
ｒ）ソリッドステートリレー；
ｓ）高出力電子部品；
ｔ）相補型金属酸化膜半導体；
ｕ）ＬＥＤ固定部品およびハウジングのうちの少なくとも１つ；
ｖ）電気および電子部品のハウジングおよび筐体のうちの少なくとも１つ；
ｗ）自動車用部品；および
ｘ）キャパシタおよびウルトラキャパシタ、
のうちの少なくとも１つである請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
第１の部品；
熱エネルギー放散部品である第２の部品；および
第１の部品と第２の部品との間に配置された複合材料；
を含む装置であって、
複合材料が、マトリックス材料全体にわたり分布した細長い熱伝導性粒子を有する伝導性パーコレーションネットワークを含み、マトリックス材料が第１の部品と第２の部品との間に配置され、前記細長い熱伝導性粒子が被覆された細長い粒子であり、被覆された細長い粒子が、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｔｅ、Ｃｄ、Ｓ、Ｓｅ、Ｈｇ、Ｐ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、これらのうちの２つの元素の任意の原子比率での組み合わせ、これらのうちの３つの元素の任意の原子比率での組み合わせ、およびこれらのうちの他の組み合わせの１つまたは複数を含むコーティング材料で被覆され、被覆された細長い粒子が、被覆された細長いナノチューブ、被覆グラフェンシート、被覆された細長い黒鉛粒子およびこれらの混合物から本質的に構成される群から選択され、かつ前記マトリックス材料が、有機高分子材料、無機高分子材料、高分子有機金属材料およびこれらの組み合わせ、から本質的に構成される群から選択される装置。
【請求項１２】
以下のｉ）〜ｉｖ）：
ｉ）細長い熱伝導性粒子が、前記複合材料の２０容量％を超えない容量％を構成する；
ｉｉ）細長い熱伝導性粒子が、少なくとも２５：１の平均アスペクト比を有する；
ｉｉｉ）細長い熱伝導性粒子が、０．１〜５００ナノメートルの平均直径および厚さのうちの少なくとも１つを有する；および
ｉｖ）長い熱伝導性粒子が、１０〜１，０００ミクロン（μｍ）の平均長さを有する、
のうちの少なくとも１つが真であり、コーティングが１０−２ｃｍを超えない電子フォノン結合長さを有し、マトリックス材料が前記複合材料の少なくとも８０容量％を構成し、有機高分子材料が、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリビニル、ポリアクリル酸、ポリハロオレフィン、ポリジエン、ポリオキシド／エーテル／アセタール、ポリスルフィド、ポリエステル／チオエステル、ポリアミド／チオアミド、ポリウレタン／チオウレタン、ポリウレア／チオウレア、ポリイミド／チオイミド、ポリ酸無水物／チオ酸無水物、ポリカーボネート／チオカーボネート、ポリイミン、ポリケトン／チオケトン、ポリスルホン／スルホキシド／スルホン酸塩／スルホンアミド、ポリフェニレンのホモポリマー、ブロック共重合体、高分子混合物およびブレンド、高分子合金、ならびに共重合体、ならびにこれらの混合物から本質的に構成される群から選択され、無機高分子材料が、ポリシラン、ポリゲルマン、ポリスタンナン、ポリボラジレン、ポリホスファゼン、ポリシロキサン、ポリジメチルシロキサン、ポリメチルヒドロシロキサン、ポリジフェニルシロキサン、ポリシラザン、ペルヒドロポリシラザン、ポリ（ジクロロホスファゼン）、ポリ（窒化硫黄）、ポリチアジル、およびポリスルフィド、またはこれらの混合物から本質的に構成される群から選択され、パーコレーションネットワークが三次元ネットワークであり、伝導性パーコレーションネットワークが複数の低抵抗経路を有し、低抵抗経路が低熱境界抵抗を有し、少なくとも一部のパーコレーションネットワークを形成する細長い熱伝導性粒子が細長い熱伝導性粒子当たり少なくとも２つの低抵抗経路を有し、少なくとも２つの低抵抗経路が、１つの細長い熱伝導性粒子と少なくとも２つの他の細長い熱伝導性粒子との間にあり、伝導性パーコレーションネットワークが熱伝導性であり、複合材料が少なくとも２Ｗｍ−１Ｋ−１の熱伝導率を有し、伝導性パーコレーションネットワークが電荷キャリアおよびフォノン伝導性ネットワークの片方または両方を含み、装置が、パワーエレクトロニクスシステム、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、コンピュータシステム、集積回路チップ、中央処理装置、集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレー、グラフィックスプロセシングユニット、マイクロプロセッサグリッドアレイ、フリップチップボールグリッドアレイ、光電池、トランジスタ、オーディオアンプ、ヒートパイプジョイント、進行波管増幅器、パワーエレクトロニクス部品、遠隔操作航空機、無人飛行体、超小型飛行体、Ｆ−２２航空機システム、Ｆ−３５航空機システム、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ、指向性エネルギー兵器、固体レーザーシステム、高電圧電子部品システム、レーザーシステム、ソリッドステートリレー、高出力レーザーシステム、高出力レーダーシステム、高出力車両ラジエータシステム、相補型金属酸化膜半導体システム、電気通信システム、能動センシングシステム、画像処理システム、ＬＥＤ固定システム、電気および電子部品用のハウジングおよび筐体システムのうちの少なくとも１つ、電気コネクタシステム、自動車用アンダフード冷却システム、高性能車両用ラジエータエンドキャップシステム、燃料ポンプシステム、高温流体輸送用のパイプおよび管システムのうちの少なくとも１つ、電気自動車のＩＧＢＴ／ＣＭＯＳ冷却適用システム、キャパシタシステム、ウルトラキャパシタシステム、熱伝導性接着剤システム、およびこれらの組み合わせのうちの１つの熱界面部品であり、さらに、第２の部品が、ヒートシンク、ヒートスプレッダまたはこれらの組み合わせのうちの少なくとも１つであり、かつ第１の部品が、
ａ）バイポーラトランジスタ；
ｂ）銅層；
ｃ）トランジスタ基板；
ｄ）集積回路プロセッサ；
ｅ）中央処理装置；
ｆ）集積回路；
ｇ）ゲートアレイ；
ｈ）グラフィックスプロセシングユニット；
ｉ）マイクロプロセッサチップ；
ｊ）フリップチップボールグリッドアレイ；
ｋ）光電池；
ｌ）加熱管；
ｍ）進行波管増幅器および進行波管増幅器ハウジング；
ｎ）パワーエレクトロニクス部品；
ｏ）金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ；
ｐ）伝導性ナノコンポジット；
ｑ）１つまたは複数の固体レーザー部品、ケーシング、およびレーザー駆動高電圧電子部品；
ｒ）ソリッドステートリレー；
ｓ）高出力電子部品；
ｔ）相補型金属酸化膜半導体；
ｕ）ＬＥＤ固定部品およびハウジングのうちの少なくとも１つ；
ｖ）電気および電子部品のハウジングおよび筐体のうちの少なくとも１つ；
ｗ）自動車用部品；および
ｘ）キャパシタおよびウルトラキャパシタ、
のうちの少なくとも１つである、請求項１１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般的には、熱伝導性ポリマー複合材料に関し、特に、サーマルインターフェースマテリアルに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱的な影響は、より高出力、より高い機能密度、および増大する苛酷な環境での操作能力を要求する大抵の用途における共通の律速段階になっている。熱放散できないことが、熱負荷の一因となり、機能範囲を制限し、早期故障に繋がる可能性がある。さらに、一部の用途では、熱放散は、スペース要件により制限される。熱源とヒートシンク／放熱器の間の連続的熱導電性パスを確保するのを支援できという理由から、サーマルインターフェースマテリアルは、熱管理システムに不可欠の要素である。熱伝導性ポリマー含有材料は、多くの設計を単純化する可能性がある。このように、熱伝導性ポリマー含有材料の開発に対するニーズがある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
これらおよび他のニーズは、本開示の種々の実施形態および構成により対処される。
一部の実施形態は、マトリックス材料全体に分散した細長い熱伝導性粒子の伝導性パーコレーションネットワークを有する組成物を含む。細長い熱伝導性粒子は、少なくとも約２５：１のアスペクト比を有する。好ましくは、アスペクト比は、少なくとも約４０：１である。さらに好ましくは、アスペクト比は、少なくとも約５０：１である。一部の構成では、アスペクト比は、少なくとも約１００：１である。パーコレーションネットワークは、通常、三次元ネットワークである。細長い熱伝導性粒子は、好ましくは、パーコレーションネットワーク中で、ランダムに配向している。好ましくは、伝導性パーコレーションネットワークは、複数の熱伝導経路を有する。熱伝導経路は、低熱抵抗性である。
【０００４】
一部の実施形態では、細長い熱伝導性粒子は、金属ナノワイヤ、金属合金ナノワイヤ、金属黒鉛ナノチューブ、被覆された細長い粒子、およびそれらの組み合わせおよび／または混合物から本質的に構成される群から選択される。被覆された細長い粒子は、被覆ナノチューブ、被覆グラフェンシート、被覆された細長い黒鉛粒子、被覆された細長い窒化ホウ素、被覆された細長い窒化アルミニウム、被覆された細長い窒化ケイ素、被覆された細長い炭化ケイ素、被覆された細長い窒化ガリウム、被覆された細長いダイヤモンド、被覆された細長いアルミナおよびこれらの混合物から本質的に構成される群から選択される。
【０００５】
好ましくは、マトリックス材料は、少なくとも組成物の約８０容量％を含む。より好ましくは、マトリックス材料は、組成物の約９０〜約９５容量％を含む。マトリックス材料は、有機材料、有機高分子材料、無機材料、無機高分子材料、セラミックス、有機金属材料、高分子有機金属材料およびこれらの組み合わせから本質的に構成される群から選択される。有機高分子材料は、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリビニル、ポリアクリル酸、ポリハロオレフィン、ポリジエン、ポリオキシド／エーテル／アセタール、ポリスルフィド、ポリエステル／チオエステル、ポリアミド／チオアミド、ポリウレタン／チオウレタン、ポリウレア／チオウレア、ポリイミド／チオイミド、ポリ酸無水物／チオ酸無水物、ポリカーボネート／チオカーボネート、ポリイミン、ポリケトン／チオケトン、ポリスルホン／スルホキシド／スルホン酸塩／スルホンアミド、ポリフェニレンのホモポリマー、ブロック共重合体、高分子混合物およびブレンド、高分子合金、および共重合体、ならびにこれらの混合物から本質的に構成される群から選択される。無機高分子材料は、ポリシラン、ポリゲルマン、ポリスタンナン、ポリボラジレン、ポリホスファゼン、ポリシロキサン、ポリジメチルシロキサン、ポリメチルヒドロシロキサン、ポリジフェニルシロキサン、ポリシラザン、ペルヒドロポリシラザン、ポリ（ジクロロホスファゼン）、ポリ（窒化硫黄）、ポリチアジル、およびポリスルフィド、またはこれらの混合物から本質的に構成される群から選択される。一部の実施形態では、無機高分子材料は、ポルトランドセメント、ポルトランドセメントと二酸化ケイ素、ガラス、バイコールガラス、ホウケイ酸ガラス、ポリアニオンガラス、ポリ（カルボシラン）、およびこれらの混合物から本質的に構成される群から選択できる。有機金属化合物および有機金属高分子材料は、シリコンおよびゲルマニウムグループ元素、遷移金属（原子番号２２〜３０、４０〜４８および７２〜８０）、希土類元素（原子番号２１、３９、および５７〜７１）、および原子番号１、５〜９、１５、１７、３５、５３および８５を有する元素を主に含む材料を含む。
【０００６】
被覆された細長い粒子の非制限的例は、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｇａ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｔｅ、Ｃｄ、Ｓ、Ｃｄ、Ｓｅ、Ｈｇ、Ｐ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ｔｅ、Ｈｇ、Ｔｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、それらの任意の原子比率による２元素の組み合わせ、それらの任意の原子比率による３元素の組み合わせ、およびそれらの他の組み合わせ、のうちの１つまたは複数を含むコーティング材料で被覆された粒子である。一部の構成では、コーティング材料は、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、のうちの１つ、またはこれらの混合物である。一部の構成では、コーティング材料は、ＧａＡｓ、ＩｎＳｂ、ＢｉＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＨｇＳｅ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＰｂＴｅ、およびＨｇＴｅのうちの１つの２元系混合物である。被覆された細長い粒子は、好ましくは、連続コーティングを有する。一部の構成では、被覆された細長い粒子は、細長い粒子のアスペクト比を実質的に減らさないコーティング厚さを有する。好ましくは、ナノ粒子は、短い電子フォノン結合長さを有するコーティングで被覆される。電子フォノン結合長さは、通常、電子およびフォノンが非平衡状態で存在する熱境界／界面近傍領域の特性長を意味する。それは、フォノンが電荷キャリア（電子）に熱エネルギーを移した後、平衡に戻る前に移動しなければならない距離を意味する。短い電子フォノン結合長さは、実質的に熱エネルギー伝達をもたらす。
【０００７】
好ましくは、組成物は、約２０容量％を超えない程度の被覆された細長い粒子を含み、さらに好ましくは、約１５％を超えない程度の被覆された細長い粒子を含む。またさらに好ましくは、組成物は、約１２容量％を超えない程度の被覆された細長い粒子を含む。一部の実施形態では、組成物は、約１０容量％を超えない程度の被覆された細長い粒子を含む。一部の実施形態では、組成物は、約７容量％を超えない程度の被覆された細長い粒子、好ましくは、約５容量％を超えない程度の被覆された細長い粒子を含む。
【０００８】
一部の実施形態では、被覆された細長い粒子は、約０．１〜約５００ナノメートル、好ましくは、約０．５〜約４５０ナノメートルの平均直径および／または厚さを有する。より好ましくは、被覆された細長い粒子は、約０．６〜約４００ナノメートルの平均直径および／または厚さを有する。
【０００９】
好ましくは、被覆された細長い粒子は、約１０〜約１，０００ミクロン（μｍ）の平均長さを有する。より好ましくは、被覆された細長い粒子は、約１０〜約５００ミクロン（μｍ）の平均長さを有する。
【００１０】
一部の実施形態では、パーコレーションネットワークは、三次元ネットワークである。好ましくは、パーコレーションネットワークは、複数の熱伝導経路を有する。熱伝導経路は、低抵抗を有し、好ましくは、熱エネルギーの伝達に対し低抵抗である。より好ましくは、低抵抗経路は、低熱境界抵抗を有する。
【００１１】
パーコレーションネットワークは、好ましくは、熱伝導性である。パーコレーションネットワークは、好ましくは、少なくとも約２Ｗｍ−１Ｋ−１、より好ましくは、少なくとも約５Ｗｍ−１Ｋ−１、さらにより好ましくは、少なくとも約５０Ｗｍ−１Ｋ−１、またさらに好ましくは、少なくとも約１００Ｗｍ−１Ｋ−１、またさらに好ましくは、少なくとも約５００Ｗｍ−１Ｋ−１、またさらに好ましくは、少なくとも約１０００Ｗｍ−１Ｋ−１の熱伝導率を有することができる。パーコレーションネットワークは、電荷およびフォノン伝導性ネットワークのうちの１つまたは両方である。一部の実施形態では、組成物は、少なくとも約２Ｗｍ−１Ｋ−１、より好ましくは、少なくとも約５Ｗｍ−１Ｋ−１、さらにより好ましくは、少なくとも約１００Ｗｍ−１Ｋ−１、またさらに好ましくは、少なくとも約５００Ｗｍ−１Ｋ−１、またさらに好ましくは、少なくとも約１０００Ｗｍ−１Ｋ−１の熱伝導率を有するサーマルインターフェースマテリアルを含む。
【００１２】
一部の実施形態では、ナノ粒子は、カーボンナノチューブである。用語のカーボンナノチューブは、通常、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、少数層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブまたは単層、二層、少数層、および多層カーボンナノチューブの混合物のうちの１つまたは複数を意味する。好ましくは、カーボンナノチューブは、組成物の約２０容量％を超えない程度含まれ、さらに好ましくは、カーボンナノチューブは、組成物の約１５％を超えない程度含まれる。さらにより好ましくは、組成物は、約１２容量％を超えない程度のカーボンナノチューブを含む。一部の実施形態では、組成物は、約１０容量％を超えない程度のカーボンナノチューブを含む。一部の実施形態では、組成物は、約７容量％を超えない程度のカーボンナノチューブ、好ましくは、約５容量％を超えない程度のカーボンナノチューブを含む。カーボンナノチューブは、約２５：１を超えるアスペクト比を有する。好ましくは、カーボンナノチューブのアスペクト比は、約４０：１より大きい。より好ましくは、カーボンナノチューブのアスペクト比は、約５０：１より大きい。一部の構成では、カーボンナノチューブのアスペクト比は、１００：１より大きい。さらに、低抵抗経路は、好ましくは、２つ以上の、さらに好ましくは、３つ以上の無整列ランダム配向被覆カーボンナノチューブの間で形成される。
【００１３】
一部の構成は、短い電子フォノン結合長さを有するコーティングで被覆されたカーボンナノチューブを含む。被覆された細長い粒子は、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｇａ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｔｅ、Ｃｄ、Ｓ、Ｃｄ、Ｓｅ、Ｈｇ、Ｐ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ｔｅ、Ｈｇ、Ｔｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、これらのうちの２元素の任意の原子比率での組み合わせ、これらのうちの３つの元素の任意の原子比率での組み合わせ、およびこれらの他の組み合わせ、のうちの１つまたは複数を含むコーティング材料で被覆される。
【００１４】
一部の構成では、コーティング材料は、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、のうちの１つまたはこれらの混合物である。一部の構成では、コーティング材料は、ＧａＡｓ、ＩｎＳｂ、ＢｉＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＨｇＳｅ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＰｂＴｅ、およびＨｇＴｅの２元系混合物のうちの１つである。カーボンナノチューブは、好ましくは、短い電子フォノン結合長さコーティングを使って、実質的に、均一、不均一、連続、および不連続のうちの少なくとも１つの状態で被覆される。一部の実施形態では、コーティングは、マトリックス材料を含むことができ；すなわち、コーティングは、実質的にパーコレーションネットワークの形に配置を換えた細長い熱伝導性粒子を有するマトリックス材料である。
【００１５】
一部の実施形態では、ナノ粒子は、グラフェンシートである。グラフェンシートは、約２５：１より大きいアスペクト比を有する。好ましくは、グラフェンシートのアスペクト比は、約４０：１より大きい。より好ましくは、グラフェンシートのアスペクト比は、約５０：１より大きい。一部の構成では、グラフェンシートのアスペクト比は、１００：１より大きい。一部の実施形態では、グラフェンシートは、実質的に平面である。好ましくは、組成物は、約２０容量％を超えない程度のグラフェンシート、さらに好ましくは、約１５％を超えない程度のグラフェンシートを含む。さらにより好ましくは、組成物は、約１２容量％を超えない程度のグラフェンシートを含む。一部の実施形態では、組成物は、約１０容量％を超えない程度のグラフェンシートを含む。一部の実施形態では、組成物は、約７容量％を超えない程度のグラフェンシート、好ましくは、約５容量％を超えない程度のグラフェンシートを含む。実質的に無整列でランダム配向の被覆グラフェンシートは、典型的な例では、伝導性パーコレーションネットワークを形成する。さらに、低抵抗経路は、好ましくは、２つ以上の、さらに好ましくは、３つ以上の無整列でランダム配向の被覆グラフェンシートの間で形成される。
【００１６】
一部の構成は、短い電子フォノン結合長さを有するコーティングで被覆されたグラフェンシートを含む。被覆された細長い粒子は、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｇａ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｔｅ、Ｃｄ、Ｓ、Ｃｄ、Ｓｅ、Ｈｇ、Ｐ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ｔｅ、Ｈｇ、Ｔｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、これらのうちの２元素の任意の原子比率での組み合わせ、これらのうちの３元素の任意の原子比率での組み合わせおよびこれらのうちの他の組み合わせ、のうちの１つまたは複数を含むコーティング材料で被覆される。一部の構成では、コーティング材料は、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、またはこれらの混合物のうちの１つである。一部の構成では、コーティング材料は、ＧａＡｓ、ＩｎＳｂ、ＢｉＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＨｇＳｅ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＰｂＴｅ、およびＨｇＴｅのうちの１つの２元系混合物である。グラフェンシートは、好ましくは、短い電子フォノン結合長さコーティングを使って、実質的に、均一、不均一、連続、および不連続のうちの少なく１つの状態で被覆される。
【００１７】
一部の実施形態は、短い電子フォノン結合長さ材料全体にわたり分布した細長い熱伝導性粒子を有する伝導性パーコレーションネットワークを有する組成物を含む。好ましくは、細長い熱伝導性粒子は、組成物の約２０容量％を超えない程度である。さらに、細長い熱伝導性粒子は、好ましくは、少なくとも約２５：１の平均アスペクト比を有する。短い電子フォノン結合長さ材料は、好ましくは、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｇａ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｔｅ、Ｃｄ、Ｓ、Ｃｄ、Ｓｅ、Ｈｇ、Ｐ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ｔｅ、Ｈｇ、Ｔｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、これらのうちの２つの元素の任意の原子比率の組み合わせ、これらのうちの３つの元素の任意の原子比率の組み合わせ、およびこれらのうちの他の組み合わせ、のうちの１つまたは複数を含む。
【００１８】
これらおよび他の利点は、本明細書に含まれる開示および実施形態、態様および構成から明らかであろう。
本明細書で使われる用語「ａ」または「ａｎ」実体は、１つまたは複数のその実体を意味する。従って、用語の「ａ」（または「ａｎ」）、「１つまたは複数の」および「少なくとも１つの」は、本明細書では同義に使用できる。また、用語の「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、同義に使用できることに留意されたい。
【００１９】
本明細書で使われる「少なくとも１つの」、「１つまたは複数の」、および「および／または」は、行為における接続語および離接語の両方の非制限的表現である。例えば、「Ａ、Ｂ、およびＣのうちの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ、またはＣのうちの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ、およびＣのうちの１つまたは複数の」、「Ａ、Ｂ、またはＣのうちの１つまたは複数」および「Ａ、Ｂ、および／またはＣ」の表現のそれぞれが、Ａ単独で、Ｂ単独で、Ｃ単独で、ＡおよびＢが一緒に、ＡおよびＣが一緒に、ＢおよびＣが一緒に、またはＡ、ＢおよびＣが一緒に、を意味する。
【００２０】
先の記述は、本開示の種々の実施形態のうちの一部の態様の理解を提供するための単純化した本開示の要約である。この要約は、本開示およびその種々の実施形態の広範な概要でも、網羅的な概要でもない。本開示の主要または重大な要素を特定することも、本開示の範囲を詳細に説明することも意図せず、以下に示されるより詳細な説明に対する導入として、選択された本開示の概念を単純化された形で提示することを意図している。上記から理解されるように、上記で規定された、または以下の詳細で説明される１つまたは複数の特徴を単独で、または組み合わせて利用して、本開示の他の実施形態とすることが可能である。
【００２１】
付随する図は、明細書に組み込まれ、その一部を形成し、いくつかの本開示の実施例を説明する。これらの図は、説明と一緒に、本開示の原理を説明する。図は、単に、いかにして本開示が作られ、使用できるかに関する好ましい、１つの選択肢としての実施例を図示するに過ぎず、図示し、説明した実施例のみに本開示を限定するものと解釈されるべきではない。
【００２２】
さらなる特徴と利点は、下記に参照する図により例示される、次記の本開示の種々の実施形態、態様および構成のより詳細な説明から明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】一部の実施形態におけるサーマルインターフェースマテリアルを示す。
【図２】一部の実施形態における異方性分布を示す。
【図３】一部の実施形態における等方性分布を示す。
【図４】パーコレーションネットワークを形成する高アスペクト比材料例の三次元ランダム配列（ａ）および材料間の点接続性（ｂ）、を示す。
【図５】グラフェン構造を示す。
【図６Ａ】一部の実施形態におけるグラフェン構造を示す。
【図６Ｂ】一部の実施形態におけるグラフェン構造を示す。
【図６Ｃ】一部の実施形態におけるグラフェン構造を示す。
【図７】カーボンナノチューブベクトル（ｎ，ｍ）を示す。
【図８】一部の実施形態におけるキラルベクトル（０，１０）、（７，１０）および（１０，１０）を有する単層カーボンナノチューブを示す。
【図９Ａ】多層カーボンナノチューブの断面を示す。
【図９Ｂ】多層カーボンナノチューブの断面を示す。
【図１０】一部の実施形態におけるシステムを示す。
【図１１】一部の実施形態における装置を示す。
【図１２】一部の実施形態における熱界面の先行技術を示す。
【図１３】一部の実施形態における銀金属被覆カーボンナノチューブの透過電子顕微鏡像を示す。
【図１４】一部の実施形態における銀金属被覆カーボンナノチューブの高解像度走査型トンネル電子顕微鏡像を示す。
【図１５】一部の実施形態におけるサーマルインターフェースマテリアルの走査電子顕微鏡像を示す。
【図１６】テルル化ビスマス（Ｂｉ２Ｔｅ３）被覆カーボンナノチューブのＳＥＭ像である。
【図１７】ポリマーマトリックス中の金属ナノワイヤフィルムの製造プロセスの模式図である。
【図１８】ＡＳＴＭ  Ｄ５４７０による分散液中の銀被覆カーボンナノチューブの熱伝導率のプロットを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は、一部の実施形態におけるサーマルインターフェースマテリアル１００を示す。サーマルインターフェースマテリアル１００は、マトリックス材料１０５および細長い熱伝導性粒子１０１のパーコレーションネットワーク１０２を含む。一部の実施形態では、サーマルインターフェースマテリアル１００は、マトリックス材料１０５中に分布した細長い熱伝導性粒子１０１のパーコレーションネットワーク１０２を含む複合材料を含む。一部の構成では、サーマルインターフェースマテリアル１００は、マトリックス材料１０５および細長い熱伝導性粒子１０１のパーコレーションネットワーク１０２から本質的に構成される。
【００２５】
細長い熱伝導性粒子１０１は、任意の細長い形であってよい。好ましくは、細長い粒子１０１は、粒子厚さおよび／または直径より大きい粒子長さである。より好ましくは、粒子１０１は、粒子長さの、粒子厚さおよび／または直径に対する適切なアスペクト比を有する。典型的な例では、アスペクト比は、約２０より大きく、より典型的な例では、約２５より大きく、さらにより典型的な例では、約４０より大きく、またさらに典型的な例では、約５０より大きく、またさらに典型的な例では、約６０より大きく、またさらに典型的な例では、約１００より大きい。
【００２６】
細長い熱伝導性粒子１０１は、好ましくは、平均直径および／または厚さおよび平均長さを有する。平均直径および／または厚さは、通常、約０．１〜約５００ナノメートル、よくある例では、約０．５〜約４５０ナノメートルである。一部の実施形態では、平均直径および／または厚さは、約０．６〜約４００ナノメートルであってよい。細長い熱伝導性粒子１０１の平均長さは、典型的な例では、約１０〜約１，０００ミクロン（μｍ）であり、より典型的な例では、約１０〜約５００ミクロン（μｍ）である。
【００２７】
好ましくは、細長い熱伝導性粒子１０１は、マトリックス材料１０５全体にわたり等方的にランダムに分布している。すなわち、細長い熱伝導性粒子１０１は、マトリックス材料１０５中で等方的に分散される（図２は、異方性分布を示し、図１と３は、等方性分布を示す）。パーコレーションネットワーク１０２は、好ましくは、マトリックス材料１０５の全体にわたり分散した細長い熱伝導性粒子１０１の三次元ネットワークを含む。細長い熱伝導性粒子１０１は、好ましくは、マトリックス材料１０５を通って１つまたは複数の経路（図４）を形成するのに充分な濃度である。１つまたは複数の経路は、サーマルインターフェースマテリアル１００を横断し、サーマルインターフェースマテリアル１００を通って複数の熱伝導経路を形成できる。好ましくは、複数の熱伝導経路は、サーマルインターフェースマテリアル１００の第１と第２の表面を相互接続し、さらに好ましくは、第１と第２の表面は、対向する関係にある。複数の熱伝導経路は、好ましくは、細長い熱伝導性粒子１０１の不連続集合体由来の形である。好ましくは、粒子の濃度と幾何学的配置がパーコレーション閾値を超える複数の熱伝導経路を形成する。
【００２８】
パーコレーションネットワーク１０２は、マトリックス材料１０５全体にわたる細長い熱伝導性粒子１０１の実質的にランダム分布により形成される。パーコレーションネットワーク１０２は、マトリックス材料１０５を通る複数の熱伝導経路を形成する。全てではないにしても、少なくともほとんどのサーマルインターフェースマテリアル１００により伝導される熱エネルギーは、パーコレーションネットワークを通って伝達される。
【００２９】
細長い熱伝導性粒子１０１は、電荷およびフォノンキャリアのいずれか、または両方であってよい。すなわち、電荷（例えば、電子および／またはホール）およびフォノンは、細長い熱伝導性粒子により運ばれうる。さらに、パーコレーションネットワーク１０２は、電荷およびフォノンキャリアネットワークである。
【００３０】
細長い熱伝導性粒子１０１は、金属ナノワイヤ、金属合金ナノワイヤ、被覆された細長い粒子、金属黒鉛ナノチューブ、被覆カーボンナノチューブ、被覆グラフェンシート、細長い黒鉛粒子、被覆された細長い黒鉛粒子、またはこれらの混合物のうちの１つを含む。好ましくは、細長い熱伝導性粒子１０１は、金属ナノワイヤ、金属合金ナノワイヤ、金属黒鉛ナノチューブ、被覆カーボンナノチューブ、被覆グラフェンシート、細長い黒鉛粒子、被覆された細長い黒鉛粒子、またはこれらの混合物のうちの１つである。金属黒鉛ナノチューブは、通常、「アームチェア」キラリティーを特徴とし、そのため、指数「ｎ」と「ｍ」を使って、グラフェンシートが巻き付けられる幾何学的配置を記載でき、この場合ｎ、ｍは等しい（ｎ＝ｍ）。「ｎ」と「ｍ」は、グラフェンハニカム結晶格子の２つの方向に沿った単位ベクトルの数を意味する。金属のＣＮＴ中の熱エネルギー移動は、主に電荷キャリアまたは電子を介して起こる。
【００３１】
通常、細長い熱伝導性粒子１０１は、約２０容量％を超えない程度のサーマルインターフェースマテリアル１００を含み、よくある例では、約１５容量％を超えない程度、またさらによくある例では、約１２容量％を超えない程度、またさらによくある例では、約１０容量％を超えない程度のサーマルインターフェースマテリアル１００を含む。一部の実施形態では、組成物は、約７容量％を超えない程度の細長い熱伝導性粒子１０１を含み、好ましくは、約５容量％を超えない程度の細長い熱伝導性粒子１０１を含む、一部の構成では、細長い熱伝導性粒子１０１は、１２容量％、さらにより典型的な例では、約１０容量％を超えない程度の被覆された細長い粒子を含む。典型的な例では、約２０容量％を超えない程度のサーマルインターフェースマテリアル１００、より典型的な例では、約１５容量％を超えない程度のサーマルインターフェースマテリアル１００を含む。一部の実施形態では、被覆された細長い粒子は、好ましくは、約７容量％を超えない程度のサーマルインターフェースマテリアル１００、さらに好ましくは、約５容量％を超えない程度のサーマルインターフェースマテリアル１００を含む。
【００３２】
好ましくは、マトリックス材料は、少なくとも約８０容量％の組成物を含む。より好ましくは、マトリックス材料は、約９０〜約９５容量％の組成物を含む。
パーコレーションネットワーク１０２経路は、好ましくは、低抵抗経路である。より好ましくは、低抵抗経路は、低抵抗性熱経路である。さらに、低抵抗経路は、好ましくは、２つ以上、さらに好ましくは、３つ以上の細長い熱伝導性粒子１０１の間で形成される。一部の構成では、パーコレーションネットワーク１０２は、通常、少なくとも約２Ｗｍ−１Ｋ−１の熱伝導率、よくある例では、少なくとも約５Ｗｍ−１Ｋ−１の熱伝導率、さらによくある例では、少なくとも約１００Ｗｍ−１Ｋ−１の熱伝導率、さらによくある例では、少なくとも約５００Ｗｍ−１Ｋ−１の熱伝導率、さらによくある例では、少なくとも約１０００Ｗｍ−１Ｋ−１の熱伝導率である。
【００３３】
通常、サーマルインターフェースマテリアル１００を通って伝導する熱エネルギーの少なくとも約１００％が、細長い熱伝導性粒子１０１のパーコレーションネットワーク１０２を通って伝達され、よくある例では、サーマルインターフェースマテリアル１００を通って伝導する熱エネルギーの少なくとも約９９％、さらによくある例では、熱エネルギーの少なくとも約９５％、またさらによくある例では、熱エネルギーの少なくとも約９０％、またさらによくある例では、熱エネルギーの少なくとも約８５％、またさらによくある例では、熱エネルギーの少なくとも約８０％、またさらによくある例では、熱エネルギーの少なくとも約７５％、またさらによくある例では、熱エネルギーの少なくとも約７０％、またさらによくある例では、熱エネルギーの少なくとも約６５％、またさらによくある例では、熱エネルギーの少なくとも約６０％、またさらによくある例では、熱エネルギーの少なくとも約５５％、またさらによくある例では、熱エネルギーの少なくとも約５０％が、細長い熱伝導性粒子１０１のパーコレーションネットワーク１０２を通って伝達される。
【００３４】
典型的な例では、マトリックス材料１０５は、細長い熱伝導性粒子１０１の熱伝導率の１Ｘ１０−１倍を超えない程度、さらに典型的な例では、細長い熱伝導性粒子１０１の熱伝導率の約０．０１倍を超えない程度、さらによくある例では、細長い熱伝導性粒子１０１の熱伝導率の約１Ｘ１０−２倍を超えない程度、またさらによくある例では、細長い熱伝導性粒子１０１の熱伝導率の約１Ｘ１０−３倍を超えない程度、またさらによくある例では、細長い熱伝導性粒子１０１の熱伝導率の約１Ｘ１０−４倍を超えない程度、またさらによくある例では、熱伝導性粒子１０１の熱伝導率の約１Ｘ１０−５倍を超えない程度、またさらによくある例では、細長い熱伝導性粒子１０１の熱伝導率の約１Ｘ１０−６倍を超えない程度、またさらによくある例では、細長い熱伝導性粒子１０１の熱伝導率の約１Ｘ１０−７倍を超えない程度の熱伝導率を有する。
【００３５】
一部の実施形態では、パーコレーションネットワーク１０２およびマトリックス材料１０５は、サーマルインターフェースマテリアル１００を通る熱伝導経路である。すなわち、一部の実施形態では、サーマルインターフェースマテリアル１００は、細長い、コーティングを施した、または施していない熱伝導性材料１０１、およびサーマルインターフェースマテリアル１００の熱伝導率に寄与するマトリックス材料１０５以外の材料を、実質的に含んでいない。
【００３６】
理論に拘泥することを望むものではないが、経路内の界面抵抗を乗り越える能力を有する電荷キャリアにより、パーコレーションネットワーク１０２の複数の経路が熱エネルギー移動を生じると考えられている。さらに、電子（またはホール）は、パーコレーションネットワーク内の細長い熱伝導性粒子１０１間の接合部を飛び越えるか、またはくぐり抜けることができると考えられている。
【００３７】
一部の実施形態では、細長い熱伝導性粒子１０１は、実質的に電荷キャリアである。電荷キャリアは、電子またはホールのいずれか、または両方である。典型的な例では、適切な電荷キャリアは、金属ナノワイヤ、金属黒鉛ナノチューブ、およびこれらの混合物のうちの１つまたは複数を含む。
【００３８】
金属ナノワイヤは、いずれかの半金属または金属材料を含むことができる。金属は、原子番号４、５、１２〜１４、２０〜３２、３４、３８〜４２、４４〜５２、５６〜６０、６２〜７９、８１〜８４ならびにこれらの組み合わせおよび混合物、からなる群より選択される原子番号を有する金属または半金属を含むいずれかの金属または半金属含有材料を含むことができる。好ましくは、ナノワイヤは、原子番号Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ｎｉ、Ｓｎおよびこれらの組み合わせからなる群より選択される原子番号を有する半金属を含む半金属および／または半金属含有材料を含む。好ましくは、ナノワイヤは、原子番号Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ｎｉ、Ｓｎおよびこれらの組み合わせ、からなる群より選択される原子番号を有する金属を含む金属および／または金属含有材料を含む。
【００３９】
グラフェンシート、カーボンナノチューブおよび黒鉛は、グラフェン構造を含む。図５にグラフェン構造１３４を示す。典型的な例では、グラフェン構造１３４は、平面形状グラフェンシート１１４（図６Ａ）；非平面形状グラフェンナノリボン１１６（図６Ｂ）；円筒形状構造で、当技術分野で知られ、本明細書でカーボンナノチューブとも呼ばれている１１８（図６Ｃ）；およびグラフェン構造の任意の幾何学的配置（例えば、当技術分野でバッキーボールまたはバックミンスターフラーレンとして知られるもの）、のうちの１つであってもよい。
【００４０】
グラフェン構造は、相互接続された複数のｓｐ２混成炭素原子１７６を含み、１原子厚さのシート１７８を形成する。ｓｐ２混成炭素原子１７６は、原子群間で相互接続する。一実施形態では、グラフェン構造中の少なくともほとんどのｓｐ２混成炭素原子が炭素原子群と相互接続し、各群の６炭素原子が、実質的に平面状の、規則的な六角形１３２を形成する。
【００４１】
述べたように、カーボンナノチューブ１１８は、管または円柱形状に巻き上げられたグラフェン構造１３４であると考えることができる。カーボンナノチューブ１１８は、単層ナノチューブ、二層ナノチューブ、少数層ナノチューブ、または多層ナノチューブであってもよい。
【００４２】
単層カーボンナノチューブは、ナノチューブとして構成された単一グラフェン構造１３４を含む。構造的には、単層カーボンナノチューブは、１原子厚さグラフェン壁１８０およびキラルベクトル１２４（図７）を有するシームレス中空チューブを含む。ある実施形態では、単層カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブの１つまたは複数の末端に約３〜約１０の５角形を含む半球状グラフェンキャップをさらに含む。
【００４３】
キラルベクトル１２４は、１対の指数（ｎ，ｍ）を含み、これは、グラフェン構造の結晶格子の２つの方向に沿った単位ベクトルを意味する。理論に拘泥することを望むものではないが、キラルベクトル１２４は、単層カーボンナノチューブの電気特性に影響を与える。一部の構成では、単層カーボンナノチューブは、次記のうちの１つが真となるベクトル１２４を有する：ａ）ｎ＝ｍ；およびｂ）（ｎ−ｍ）／３が整数。図８は、カーボンナノチューブ１９８、２００、および２０２として表されている、それぞれ、（０，１０）、（７，１０）および（１０，１０）のキラルベクトルを有する単層カーボンナノチューブ１１８を示す。
【００４４】
カーボンナノチューブは、直径（「ＩＤ」）１２０、長さ１２２およびキラルベクトル１２４を有する。カーボンナノチューブの直径（「ＩＤ」）１２０は、約１Å〜約２００ナノメートルの範囲である。
【００４５】
多層カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブコアの周りに巻き上げられた１つまたは複数のグラフェンナノリボン１３４を含み、１つまたは複数のグラフェンナノリボン１３４は、複数のグラフェン壁１８０を形成する（図９Ａおよび９Ｂ）。理論に拘泥することを望むものではないが、多層カーボンナノチューブは、ａ）同心円状に重なった円柱として配置された一連のシームレス単層カーボンナノチューブ（１２６）またはｂ）それ自体の周りにらせん状に巻き上げられた単一グラフェンナノリボン１３４（１２８）のうちの１つを含むことができる。グラフェン層間の層間距離１３０は、約１Å〜約１０Å、好ましくは、約２Å〜約４Åの範囲である。
【００４６】
典型的な例では、黒鉛は、積み重ねられたグラフェンシートを含む。グラフェンシートは、結晶または無定形黒鉛構造を形成するように配置できる。
カーボンナノチューブは、通常、金属黒鉛ナノチューブ、半導体カーボンナノチューブ、または金属および半導体カーボンナノチューブの混合物のうちの１つを含む。「金属黒鉛ナノチューブ」は、通常、１つまたは複数の約５００Ｗｍ−１Ｋ−１を超える熱伝導率を有するカーボンナノチューブを意味する。「半導体カーボンナノチューブ」は、通常、金属黒鉛ナノチューブ以外のカーボンナノチューブを意味する。別段の指示がない限り、「カーボンナノチューブ」は、通常、金属および半導体カーボンナノチューブの混合物を意味する。さらに典型的な例では、金属および半導体カーボンナノチューブの混合物を含む少なくともほとんどのカーボンナノチューブが、半導体カーボンナノチューブであり、またさらに典型的な例では、少なくとも約６０％が半導体カーボンナノチューブであり、またさらに典型的な例では、少なくとも約７０％が半導体カーボンナノチューブであり、またさらに典型的な例では、少なくとも約８０％が半導体カーボンナノチューブであり、またさらに典型的な例では、少なくとも約９０％が半導体カーボンナノチューブである。上述のように、カーボンナノチューブは、単層でも多層カーボンナノチューブでもよい。一部の構成では、カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、少数層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブはたは単層、二層、少数層および多層カーボンナノチューブの混合物である。
【００４７】
一部の実施形態では、細長い、熱伝導性物品は、被覆された細長い粒子を含むことができる。被覆された細長い粒子は、被覆ナノチューブ、被覆グラフェンシート、被覆された細長い黒鉛粒子、またはこれらの混合物を含むことができる。被覆された細長い粒子は、好ましくは、実質的に短い電子フォノン結合長さを有するコーティングを含む。通常、被覆された細長い粒子は、約１０−２ｃｍを超えない程度の電子フォノン結合長さを有するコーティングを含み、さらによくある例では、約１０−４ｃｍを超えない程度の電子フォノン結合長さ、またさらによくある例では、約１０−６ｃｍ未満の電子フォノン結合長さ、またさらによくある例では、約１０−８ｃｍ未満の電子フォノン結合長さを有するコーティングを含む。適切なコーティング材料の非制限的例は、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｇａ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｔｅ、Ｃｄ、Ｓ、Ｃｄ、Ｓｅ、Ｈｇ、Ｐ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ｔｅ、Ｈｇ、Ｔｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、これらのうちの２つの元素の任意の原子比率での組み合わせ、これらのうちの３つの元素の任意の原子比率での組み合わせおよびこれらのうちの他の組み合わせ、のうちの１つまたは複数を含むコーティング材である。一部の構成では、コーティング材料は、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、またはこれらの混合物、のうちの１つである。一部の構成では、コーティング材料は、ＧａＡｓ、ＩｎＳｂ、ＢｉＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＨｇＳｅ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＰｂＴｅ、およびＨｇＴｅのうちの１つの２元系混合物である。
【００４８】
一部の実施形態では、被覆された細長い粒子は、少なくとも約０．２ｎｍ、好ましくは、少なくとも０．１ｎｍの平均コーティング厚さを有する。好ましくは、コーティングのある場合と無い場合の細長い粒子の平均アスペクト比は、被覆されていない細長い粒子のアスペクト比の、実質的に、約１倍である。被覆された細長い粒子のアスペクト比は、よくある例では、平均して、被覆されていない細長い粒子のアスペクト比の少なくとも約０．９５倍、さらによくある例では、被覆されていない細長い粒子のアスペクト比の少なくとも約０．９０倍、またさらによくある例では、被覆されていない細長い粒子のアスペクト比の少なくとも約０．８５倍、またさらによくある例では、被覆されていない細長い粒子のアスペクト比の少なくとも約０．８０倍、またさらによくある例では、被覆されていない細長い粒子のアスペクト比の少なくとも約０．７５倍である。
【００４９】
マトリックス材料１０５は、実質的に任意の材料であってよい。マトリックスは、有機材料、有機高分子材料、無機材料、無機高分子材料、セラミック、有機金属材料、高分子有機金属材料またはこれらの組み合わせであってもよい。有機高分子材料は、ホモポリマー、ブロック共重合体、高分子混合物、高分子合金、共重合体またはこれらの組み合わせを含めることができる。さらに、有機高分子材料は、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリビニル、ポリアクリル酸、ポリハロオレフィン、ポリジエン、ポリオキシド／エステル／アセタール、ポリスルフィド、ポリエステル／チオエステル、ポリアミド／チオアミド、ポリウレタン／チオウレタン、ポリウレア／チオウレア、ポリイミド／チオイミド、ポリ酸無水物／チオ酸無水物、ポリカーボネート／チオカーボネート、ポリイミン、ポリシロキサン／シラン、ポリホスファゼン、ポリケトン／チオケトン、ポリスルホン／スルホキシド／スルホン酸塩／スルホアミド、ポリフィレン、およびこれらの混合物のうちの１つまたは複数を含めることができる。無機高分子材料は、ポリシラン、ポリゲルマン、ポリスタンナン、ポリボラジレン、ポリホスファゼン、ポリシロキサン、ポリジメチルシロキサン、ポリメチルヒドロシロキサン、ポリジフェニルシロキサン、ポリシラザン、ペルヒドロポリシラザン、ポリホスファゼン、ポリ（ジクロロホスファゼン）、ポリ（窒化硫黄）、ポリチアジル、およびポリスルフィド、またはこれらの混合物、から本質的に構成される群から選択される。一部の実施形態では、無機高分子材料は、ポルトランドセメント、ポルトランドセメントおよび二酸化ケイ素、ガラス、バイコールガラス、ホウケイ酸ガラス、ポリアニオンガラス、ポリ（カルボシラン）、ならびにこれらの混合物、から本質的に構成される群から選択できる。有機金属化合物および有機金属高分子材料は、シリコンおよびゲルマニウム、遷移金属（原子番号２２〜３０、４０〜４８および７２〜８０）、希土類元素（原子番号２１、３９、および５７〜７１）、および原子番号１、５〜９、１５、１７、３５、５３および８５の元素の主要グループ元素を含む材料を含む。
【００５０】
さらに、細長い熱伝導性粒子のマトリックス材料中の分布は、機械的な変形、例えば、熱膨張材料ミスマッチにより生じた変形から来る損傷および／または劣化を克服できる。さらに、機械的な変形、例えば、引っ張りによる伸長の間、性能が維持される。例えば、機械的な変形の間、１つのチューブが別のチューブの長さだけ滑り落ちるあいだは、チューブとチューブの接触が保持される。さらに、グラフェン構造含有ポリマーマトリックスは、細長い熱伝導性粒子の腐食および／または交差接続を実質的に減らすことができる。例えば、高分子マトリックス内に被覆グラフェン構造を含むサーマルインターフェースマテリアルは、金属に対する、好ましくは、電解腐食を受けやすい金属に対する腐食保護を提供できる。高分子マトリックス内の低濃度の（例えば、限定されないが、約５容量％を超えない程度の）グラフェン構造が、高分子マトリックス特性（例えば、限定されないが、軽量性、耐久性のある処理能力、コスト、等）を実質的に維持することは理解されよう。
【００５１】
一部の実施形態は、第１の表面２０１および第２の表面２０３の間に位置するサーマルインターフェースマテリアル１００を有するシステム２００（図１０）を含む。サーマルインターフェースマテリアル１００は、マトリックス材料全体にわたり分布した細長い熱伝導性粒子を有する伝導性パーコレーションネットワーク１０２（図示せず）を有する。
【００５２】
一部の実施形態は、第１の部品３０１、第２の部品３０３を有する装置３００（図１１）、および第１の３０１部品と第２の３０３部品の間に位置するサーマルインターフェースマテリアル１００を含む。サーマルインターフェースマテリアル１００は、マトリックス材料全体にわたり分布した細長い熱伝導性粒子を有する伝導性パーコレーションネットワーク１０２（図示せず）を含む。第２の部品３０３は、熱エネルギー放散部品である。
【００５３】
熱界面システム２００および／または装置３００には、パワーエレクトロニクス用途（例えば、限定されないが、絶縁ゲートバイポーラトランジスタで、この場合、サーマルインターフェースマテリアル１００は、ダイレクトボンドカッパー層／基板アセンブリおよびヒートシンクの間に配置される）；コンピュータ用途（例えば、限定されないが、集積回路（ＩＣ）チップおよび中央処理装置（ＣＰＵ）一般の冷却；ＴＩＭが、プロセッサインテグレーテッドヒートスプレッダ（ＩＨＳ）およびヒートシンクの間の効果的熱経路を提供する）；集積回路（ＡＳＩＣ）；フィールドプログラマブルゲートアレー（ＦＰＧＡ）；グラフィックスプロセシングユニット（ＧＰＵ）（例えば、限定されないが、組込みシステム、ワークステーション、ゲーム機、携帯電話およびＰＣ）；マイクロプロセッサおよびフリップチップボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）；光（ＰＶ）電池（例えば、ＰＶ電池とヒートシンクの間に位置する電気絶縁サーマルインターフェースマテリアル１００［回路の外部］による熱蓄積に起因する出力ロスを防ぐため、等の）；トランジスタ（例えば、制限されないが、ヒートスプレッダとトランジスタそれ自体の間に位置するサーマルインターフェースマテリアル１００［電気絶縁］、特殊な非制限的例のオーディオアンプ）；ベースプレートを含むヒートパイプジョイント（例えば、限定されないが、宇宙、等の用途用のユニットベースプレートおよび２相ヒートパイプの間に置かれたサーマルインターフェースマテリアル１００）；進行波管増幅器（ＴＷＴＡ）（例えば、限定されないが、ＴＷＴＡハウジング（熱源）とヒートスプレッダの間に置かれたサーマルインターフェースマテリアル１００［宇宙用途］）；例えば、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の冷却のような、遠隔操作航空機（ＲＰＡ）、無人飛行体および超小型飛行体（ＵＡＶおよびＭＡＶ）、Ｆ−２２およびＦ−３５システムのパワーエレクトロニクス部品；指向性エネルギー兵器（例えば、熱管理に必要な部品、例えば、固体レーザー部品およびケースの冷却、レーザー駆動高電圧電子部品の冷却は、熱伝導性ナノコンポジットから恩恵を受ける可能性がある）；ソリッドステートリレー（ＳＳＲ）（例えば、限定されないが、サーマルインターフェースマテリアル１００の熱パッドや熱グリースの形でのリレーとヒートスプレッダの間への配置）；高出力レーザーの熱管理、高出力レーダー、高出力車両用ラジエータ（例えば、限定されないが、ハイパワーエレクトロニクスおよび対応するマイクロチャネルヒートシンクの間の熱放散に使用される熱接触強化用サーマルインターフェースマテリアル１００の配置）；相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）、電気通信、能動センシングおよび画像処理技術；ヒートシンク材料；熱伝導性ポリマーナノコンポジットを含めることで大きく恩恵を受けるポリマー複合材料を含む用途（例えば、元のポリマーの代わりまたは補完）、例えば、ヒートシンク材料、構造用複合材料、ＬＥＤ固定具（ＬＥＤおよびヒートシンクの間に適合するＴＩＭとして適用される熱パッド、熱基板および熱グリースを含む）、電気および電子部品用ハウジング／筐体、電気コネクタ、ＩＣアセンブリ、高性能車両ラジエータエンドキャップ用アンダフード部品冷却、燃料ポンプ、および頻繁に温度変動に曝される産業利用パイプ／管（例えば、高温流体輸送）、航空および／または宇宙車両機体、構造、および／または下部構造、航空および／または宇宙構造（一般的な）、例えば、衛星、尾部支材、アレイアンテナ、ヒンジ、等および／または電気自動車のＩＧＢＴ／ＣＭＯＳ冷却用途；大容量キャパシタおよびウルトラキャパシタ（例えば、限定されないが、大容量キャパシタおよび／またはウルトラキャパシタとヒートシンク／スプレッダの間のサーマルインターフェースマテリアルの配置）；エレクトロニクスＩＣ基板および対応するハウジングの間に最小熱抵抗経路を提供しながら、キャパシタ、インダクタ、および自動車エレクトロニクスにおける機械的な拘束（スクリューのような）を置き換えるために、同じ技術に基づく熱伝導性接着剤を使用できる；ＩＣ基板用熱管理および電気接地；携帯型電子機器、例えば、携帯電話、スマートフォン、ラップトップ、タブレット、タブレットＰＣ、ネットブックのエレクトロニクスチップ冷却（ＩＧＢＴ、ＢＧＡ、ＩＣチップ、等）；人体および個人用冷却剤ベースおよびＴＥモジュールベースクーラー、等の個人的冷却システムの間の熱の熱交換強化；性能効率を高め、寿命を伸ばすための太陽電池の熱管理；電気通信増幅モジュール、パワーモジュール、無線ネットワークカード、一般プリント回路基板（ＰＣＢ）の熱および機械的な衝撃に対する保護のための冷却；およびこれらの組み合わせのうちの１つの部品および／または要素を含めることが可能である。
【００５４】
一部の構成では、第１と第２の表面は、それぞれ、第１と第２の表面エネルギーを有する。さらに、第１と第２の表面は、一部の例では、表面の不規則性、すなわち、それぞれの表面は、１つまたは複数の谷、溝、および気孔を含むことができる。好ましくは、マトリックス材料は、第１と第２の表面の片方または両方より、高い、同じ、または低い表面エネルギーを有する。換言すれば、マトリックス材料は、第１と第２の表面を充分に濡らす、および／またはそれに滲みこむ。マトリックス材料が濡らすこと、および／または滲みこむことは、すなわち、サーマルインターフェースマテリアル１００が、第１と第２の表面の谷、溝、および気孔のうちの１つまたは複数に対し、実質的に濡らすおよび／または滲みこむことである。マトリックス材料を濡らすこと、および／または滲みこむことは、すなわち、サーマルインターフェースマテリアル１００が、サーマルインターフェースマテリアル１００および第１と第２の表面の間に、それぞれ、実質的に気孔および／または空隙のない第１と第２の表面のサーマルインターフェースマテリアル１００との接触を形成することである。
【００５５】
一部の構成では、第１と第２の部品は、それぞれ、第１と第２の部品表面エネルギーを有する。さらに、第１と第２の部品表面は、一部の例では、表面の不規則性、すなわち、それぞれの表面は、１つまたは複数の谷、溝、および気孔を含むことができる。好ましくは、マトリックス材料は、第１と第２の部品表面の片方または両方より、高い、同じ、または低い表面エネルギーを有する。換言すれば、マトリックス材料は、第１と第２の部品表面を充分に濡らすおよび／またはそれに滲みこむ。マトリックス材料が濡らすこと、および／または滲みこむことは、すなわち、サーマルインターフェースマテリアル１００が、第１と第２の部品表面の谷、溝、および気孔のうちの１つまたは複数に対し、実質的に濡らすおよび／または滲みこむことである。マトリックス材料を濡らすこと、および／または滲みこむことは、すなわち、サーマルインターフェースマテリアル１００が、サーマルインターフェースマテリアル１００および第１と第２の部品表面の間に、それぞれ、実質的に気孔および／または空隙のない第１と第２の表面のサーマルインターフェースマテリアル１００との接触を形成することである。
【００５６】
好ましくは、システム２００では、１つまたは複数の細長い熱伝導性粒子は、第１の表面２０１と接触している。同様に、装置３００では、１つまたは複数の細長い熱伝導性粒子は、好ましくは、第１の部品３０１と接触している。システム２００の場合と同様に、１つまたは複数の細長い熱伝導性粒子は、好ましくは、第２の表面２０３と接触している。さらに、装置３００では、１つまたは複数の細長い熱伝導性粒子は、好ましくは、第２の部品３０３と接触している。１つまたは複数の細長い熱伝導性粒子の、それぞれ、第１および／または第２の表面および第１および／または第２の部品との接触は、より有効なおよび／またはより大きな熱伝導を提供すると考えられている。
【実施例】
【００５７】
実施例−緒言
構成要素間の熱界面境界抵抗は、複数の構成要素からなる（すなわち、複合材料である）サーマルインターフェースマテリアルにおける熱伝導率損失の実質的な原因となる。熱界面境界抵抗は、典型的な例では、構成要素が相互に最接近状態である場合の接合部で測定される。構成要素間の熱移動は、電荷キャリア（電子およびホール）およびフォノンを介して起こると考えられている。電気伝導性の材料は、主に、電荷キャリアを介して熱エネルギーを移動する傾向があり、一方、電気絶縁体および／または半導体材料は、主にフォノン輸送を介して熱エネルギーを移動する傾向がある。
【００５８】
構成要素が似ていない材料である場合は、熱移動は、次記のうちの１つを介して起こると考えられている：（１）１つの電荷キャリアから別の電荷キャリアへ（典型的な例では、高電気伝導性材料、例えば、金属間のプロセス）；（２）電荷キャリアからフォノンキャリアへ（典型的な例では、金属から絶縁体への熱移動プロセス）；（３）１つのフォノンキャリアから別のフォノンキャリアへ（典型的な例では、１つの絶縁体から別の絶縁体への熱移動プロセス）；および（４）フォノンキャリアから電荷キャリアへ（典型的な例では、絶縁体から金属への熱移動）。典型的な例では、電荷キャリア（例えば、電気伝導性金属）および半導体（例えば、ポリマー、一部のセラミックス、およびほとんどのカーボンナノチューブ（他にも多くの例がある））の間の熱移動である場合、強い、および／または過剰フォノン放出が起こる。
【００５９】
今までのモデル化の努力により、熱伝導を改善する方法が立証された。例えば、図１２は、第１の６０１および第２の６０２カーボンナノチューブの間の熱界面の先行技術を示す。熱界面６００は、第１の６０１および第２の６０２カーボンナノチューブのオーバーラップ長さ６０５、および第１の６０１および第２の６０２カーボンナノチューブの間の分離距離６０７を含む。熱抵抗モデル化研究により、チューブ間のオーバーラップ長さ６０５が増加するに伴い、カーボンナノチューブ間の熱抵抗は、減少することが示された。これは、第１の６０１および第２の６０２カーボンナノチューブからのより多くの原子が、フォノン相互作用を介して熱交換できることによると考えられている。同様に、モデル化研究により、チューブからチューブへの熱抵抗は、分離距離６０７の減少と共に減少することが明らかになった。分離距離６０７の減少およびオーバーラップ長さ６０５の増加による熱抵抗の減少は、非線形であった。さらに、オーバーラップ長さ６０５および分離距離６０７の一方または両方の比較的小さな変化に対し、熱抵抗の指数関数オーダーの大きさの変化が観察された。モデル化研究から、熱界面抵抗の減少は、カーボンナノチューブが比較的大きなオーバーラップ長さで、比較的小さい分離距離の場合であると考えられている。さらに、モデル化研究により、カーボンナノチューブに沿っての熱移動は、主に、フォノンを介しており、また、隣接カーボンナノチューブ間の熱抵抗は、カーボンナノチューブおよび／または周辺マトリックス材料の間のフォノン−フォノン相互作用により実質的に制限されていることが示された。カーボンナノチューブおよび／または周辺マトリックス材料の間の熱抵抗の減少は、隣接カーボンナノチューブの間の熱移動を増やす１つの可能な方法である。隣接カーボンナノチューブ間の熱抵抗を減らす１つの方法は、隣接ナノチューブ間の全てではないにしても、少なくとも一部のフォノン−フォノン移動を電荷キャリア移動で置き換えることによる。
【００６０】
いずれかの理論に拘泥することを望むものではないが、全てではないにしても、隣接ナノチューブ間の少なくとも一部のフォノン−フォノンの移動は、短い電子フォノン結合長さを有するコーティング材料をカーボンナノチューブに被覆することにより、電荷キャリア移動プロセスで置換できると考えられている。例えば、短い電子フォノン結合長さを有するコーティングは、フォノンを電子に効率的に結合させる固有の能力を与えるものである。フォノンを荷電キャリアに結合させるこの能力は、荷電粒子プロセスを介してフォノンの形で実質的に熱エネルギーを伝えると考えられている。例えば、短い電子フォノン結合長さのコーティング材料は、効率的なフォノンから電子への熱エネルギー移動機序（例えば、電子および／またはホールホッピングまたはトンネリング）を利用して、高熱抵抗によるフォノン散乱および／またはフォノンロスを効率的に除去できる。換言すれば、短い電子フォノン結合長さのコーティング材料は、電子およびフォノン輸送プロセスを介して効率的な熱エネルギー輸送を提供する。
【００６１】
短い電子フォノン結合長さを有する材料は、典型的な例では、半導体材料および電気伝導性材料である。半導体材料は、荷電粒子およびフォノンの片方または両方を介して、熱エネルギーを伝えることができる。高伝導性材料は、典型的な例では、荷電粒子を介して熱エネルギーを伝達する。
【００６２】
実施例１−銀メッキカーボンナノチューブ
銀塩の熱分解により銀金属でカーボンナノチューブを被覆した。銀金属に熱分解する銀塩のいくつかの例が知られている。親水性の表面処理剤と一緒に提供された市販のカーボンナノチューブを利用して、直接銀金属コーティングを進めた。この表面化学作用は、カーボンナノチューブと塩複合体の間に密な接触を生成するように選択された。カーボンナノチューブをグラインディングによりすり込むことによりポリマーマトリックス中へ導入した。銀塩複合体を少しずつ添加し、グラインディングによりすり込むことによりカーボンナノチューブと銀塩複合体をポリマーマトリックス中にさらに分散させた。
【００６３】
図１３は、銀金属被覆カーボンナノチューブ１３０１の透過電子顕微鏡像である。図１４は、銀金属被覆カーボンナノチューブの高解像度走査型トンネル電子顕微鏡像である。これらの顕微鏡像は、銀メッキが、図１３の環状暗視野からのカーボンナノチューブ上の明るいスポット１３０３および図１４の明視野画像処理からのカーボンナノチューブ上のダークスポット１４０１として観察されることを示す。さらに、分析的方法により、金属銀の存在が確認された。
【００６４】
図１５は、高温へ徐々に加熱後のサーマルインターフェースマテリアルの走査電子顕微鏡像である。電子顕微鏡像では、カーボンナノチューブの表面上の明るいスポット像１５０５により示されるように、銀メッキが示される。高温へのゆっくりした加熱により、有機マトリックス材料を熱的に分解し、カーボンナノチューブの表面上に銀メッキを生ずる。
【００６５】
いくつかの材料の組み合わせが、熱エネルギー移動を促進することが確認された。表１および２は、市販されている材料の組み合わせ例を示す。本発明は、一般的には、被覆グラフェン構造および／または短い電子フォノン結合長さを特徴とするマトリックス中に組み込まれたグラフェン構造の使用に関する。
【００６６】
【表１】
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【００６７】
【表２】
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実施例２−カーボンナノチューブ上のテルル化ビスマス結晶成長
テルル化ビスマス結晶をカーボンナノチューブの表面上に成長させ、半連続的コーティングを残し（図１６）、それらの存在を分析的手段で確認した。その後、薄膜の製作時にこれらの材料を、ポリマーマトリックス中に組み込んだ。
【００６８】
実施例３−カーボンナノチューブおよび銀ナノワイヤ薄膜および／またはペースト
薄膜およびペースト試料をカーボンナノチューブおよび／または銀金属ナノワイヤの組込みにより調製した。カーボンナノチューブと銀ナノワイヤの共懸濁液から真空濾過法により試料を調製した。図１３は、製作プロセスの模式図を示す。この図に示すように、懸濁液濃度が増加するに伴い、試料厚さおよび材料密度も増加する。
【００６９】
これらの材料をポリマーマトリックス中にグラインディングによりすり込むことにより、カーボンナノチューブ−銀ナノワイヤペースト試料を調製した。ポリマーマトリックスの選択は、次の２つの主要因子に基づいていた：１）混合とすり込み時の高レベルのカーボンナノチューブ分散を実証した以前の経験、および２）熱伝導性電気絶縁体材料の熱伝達特性の標準的試験方法であるＡＳＴＭ−Ｄ５４７０による熱伝導率測定に適したペーストを製作できる能力。有機溶媒中の銀ナノワイヤの懸濁液を、Ｓｅａｓｈｅｌｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、Ｉｎｃ．（Ｓａｎ  Ｄｉｅｇｏ、ＣＡ）から入手し、有機溶媒をゆっくり蒸発させることにより、ポリマー−カーボンナノチューブ分散液に少しずつ加えた。
【００７０】
カーボンナノチューブおよび／または銀金属ナノワイヤの組み込みにより薄膜およびペースト試料を調製した。カーボンナノチューブと銀ナノワイヤの共懸濁液から真空濾過法により試料を調製した。図１７は、製作プロセスの模式図を示す。この図に示すように、懸濁液濃度が増加するに伴い、試料厚さおよび材料密度も増加する。このプロセスは、混合物を形成する溶媒中で懸濁、および／または溶解されたマトリックス材料を含んでも、含まなくてもよい溶媒中での細長い熱伝導性粒子の粒子状懸濁液の形成を含む。粒子状懸濁液は、超音波エネルギーに曝され、混合前の溶媒中で、懸濁された細長い熱伝導性粒子の分散が行われる。混合物は、好ましくは、真空濾過法を使って濾過され、細長い熱伝導性粒子の湿性マトリックスを形成する。湿性マトリックスに、熱および圧力の片方または両方を加えて、マトリックス材料中の細長い熱伝導性粒子のパーコレーションネットワークを形成する。
【００７１】
図１８は、ポリマーマトリックス中の被覆カーボンナノチューブに対する熱伝導率プロットの例を示す。２００％以上の増加が実証された。表３は、熱伝導率データをまとめたものである。
【００７２】
【表３】
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本開示のいくつかの変形と修正が使用可能である。他のものがなくても、本開示のいくつかの特徴を提供することが可能であろう。
【００７３】
種々の実施形態、構成、または態様による本開示は、実質的に本明細書で示し、記載したように、種々の実施形態、構成、態様、副組合せ、およびそれらのサブセット等の、部品、方法、プロセス、システム、および／または装置を含む。当業者なら、本開示を理解した後に、本開示対象の作製および使用方法を理解するであろう。本開示は、種々の実施形態、構成、および態様において、本明細書に示されていない、および／または記載されていない項目が無い場合、または、これに関する種々の実施形態、構成、または態様において、例えば、パフォーマンスの改善、実装の容易さ、および／またはコスト削減の実現のために、以前のデバイスまたはプロセスで使用されている可能性のある項目が無い場合を含め、デバイスおよびプロセスの提供を含む。
【００７４】
本開示の前出の考察は、例示および説明の目的で提示されている。前出事項により、本開示を、本明細書で開示された形態または複数形態に限定することを意図するものではない。前出の詳細説明で、例えば、種々の本開示の特徴は、本開示の合理化のために、一緒にして、１つまたは複数の実施形態、構成、または態様にグループ化できる。実施形態、構成、または態様の特徴は、組み合わせて、上記で考察のもの以外の別の実施形態、構成、または態様にすることができる。この開示方法は、請求内容が各請求項中で明示的に記述されたものより多くの特徴を必要とするという意図を反映するものと解釈されるべきではない。むしろ、下記の請求項が示すように、発明の態様は、単一の前出で開示の実施形態、構成、または態様の全ての特徴より少ない特徴を有する。従って、下記の請求項は、本明細書によりこの詳細な説明中に組み込まれ、各請求項は、別々の好ましい本開示の実施形態として自立している。
【００７５】
さらに、開示の説明は、１つまたは複数の実施形態、構成、または態様および特定の変形および修正の説明を含んでいるが、他の変形、組み合わせ、および修正は、本開示の範囲内であり、例えば、本開示を理解した後の当業者の技能と知識の範囲内でありうる。このような代替の、置き替え可能なおよび／または等価な構造、機能、範囲またはステップが本明細書で開示されているかどうかに関わらず、また、いずれかの特許可能内容を公共の用に供する意図もなく、請求内容に対する代替の、置き替え可能なおよび／または等価構造、機能、範囲またはステップを含む、許容される程度の代替の実施形態、構成、または態様を含む権利を得ることが意図されている。
【図４ａ−４ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図１２】
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【図１７】
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【図１８】
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