通过冰升华转移垂直排列碳纳米管以实现无残留且保持结构的集成

用微小“森林”为发热设备降温

像智能手机和红外相机这样的现代电子设备在极小空间内集成了强大功能，因而产生难以散热的热点，且散热过程中易损坏脆弱部件。该研究展示了如何将超细的碳纳米管“森林”从必须在高温下生长的环境中温和剥离，并使用仅需精确控制的一层冰，干净地贴合到几乎任何设备上。结果是一种无需强烈化学品、粘胶或高温即可制造更凉爽手机和更灵敏红外传感器的新方法。

为什么垂直排列的碳纳米管森林很重要

碳纳米管是比人类头发细数千倍的中空圆柱。当它们以致密、垂直的“森林”形式从表面直立生长时，表现出类似超材料的特性：沿长度方向具有极好的导热性、导电性、可弯曲且不易断裂，并能吸收几乎全部入射光。这些特性使得垂直排列碳纳米管（VACNT）森林在柔性电子、热界面材料和红外探测器等应用中非常有吸引力。问题在于，这些森林通常只能在很高温度下生长（通常高于700 °C），这会破坏常见器件部件，尤其是塑料和常规半导体电路。

迁移脆弱纳米森林的挑战

一种解决高温问题的方法是先在耐热的“供体”晶片上生长VACNT，然后将它们转移到较冷、更脆弱的“受体”器件上。但现有的转移方法存在严重权衡。化学蚀刻在液体干燥时会因表面张力将细丝拉拢，导致纳米森林变弱或倒塌。用液态聚合物填充森林虽能简化转移，但会堵塞管间空隙，破坏VACNT开阔直立的结构。其他方法使用高压或激光“焊接”，同样带来热损伤。早期尝试用冰作为临时胶粘剂在融化和蒸发过程中留下液态水，也产生了研究者试图避免的破坏性毛细力。

把冰当作温和且会消失的胶

团队的关键进展是一种基于冰升华的转移工艺，使冰能作为强而临时的粘合剂，同时在结束时不留令人困扰的液体薄膜。首先，将受体基底冷却至约−10 °C，使周围空气中的水分凝结并冻结成一层薄而均匀的冰。把带有VACNT森林的供体压到这层冰面上，使纳米管顶端接触到一层短暂受控的水膜，然后再次冷却使这层水在管端周围重新冻结。该冰在机械上将纳米管锁定并粘附得比它们在原始生长层的锚定更牢固。移除供体晶片后，将受体上的残余冰在低于水三相点的真空下去除，使其跳过液相直接由固态升华为气态。这避免了通常会弯曲或成束纳米管的毛细力，从而保留了它们高且直的结构，转移良率在95%以上，即使图案小至10微米也能达到。

从刚性芯片到可拉伸薄膜

由于该工艺在室温或更低温度下进行且不使用强烈化学物质，因此兼容多种材料。研究者成功将VACNT图案转移到刚性晶片、金属、柔性塑料薄膜，甚至高度可拉伸的硅橡胶上。显微观察表明，纳米森林保持直立并与新表面紧密接触。测量结果证实，转移后的森林保留了大部分原有性能：粘附足够强以承受弯曲和拉伸，高电导率、沿管方向的有效热流，以及强烈的红外光吸收。作者还对冰层厚度进行了优化，表明约几十微米的厚度足以嵌入管端并产生强粘附，同时不会厚到意外与原始晶片重新粘合。

将纳米森林变成实用部件

为展示该转移方法的潜力，团队制作了两个概念验证器件。其中一个将VACNT森林作为超薄热界面材料，夹在热源与金属散热片之间。与常见的导热膏或导热垫相比，纳米管层更高效地传导热量，在高强度使用时将智能手机热点温度降低约4 °C。在第二个演示中，他们将VACNT转移到一个微小红外传感器内部的悬浮薄膜上。这里的森林几乎成为长波红外光的理想黑体吸收层，将吸收的能量引导到感测层。改造后的传感器相比没有纳米管的同类器件，响应最高增强了约3.43倍，这得益于近乎完全的光吸收和优异的热传导的结合。

对日常技术的意义

通过使用会消失的一层冰作为干净且可逆的粘合剂，这项工作解决了一个长期存在的问题：如何在不将真实设备暴露于极端高温或杂乱工艺的情况下，收获碳纳米管森林的显著能力。该方法在将纳米森林置于几乎任何表面（从刚性硅芯片到可弯曲塑料）时，保持其高耸、开阔且无污染的状态。这为制造更凉、效率更高的电子设备和更清晰、更灵敏的红外相机打开了大门，也为将其他脆弱纳米结构以温和、无残留的方式集成到未来设备中提供了一种通用策略。

引用: Han, H., Hwang, K., Jo, E. et al. Ice sublimation transfer of vertically aligned carbon nanotubes for residue-free and structure-preserving integration. Nat Commun 17, 1912 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68614-x

关键词: 碳纳米管, 热界面材料, 红外传感器, 纳米材料转移, 冰升华