随着大功率LED器件的快速发展和推广普及，LED芯片的热可靠性问题愈发突出。LED 芯片作为发光发热的核心区域，其内部界面在实现电气互连、电光转化等功能的同时也承担着散热通道的作用，界面热设计在LED芯片中越发受到重视。与此同时，新型碳纳米材料石墨烯以其各方面突出的物理性能备受关注，其在LED芯片中的应用已成为LED技术发展的重要方向。石墨烯的引入势必会与传统LED材料间形成接触界面，对这种基于二维材料的界面结构各方面物理性能的深入认识对合理构筑石墨烯基LED传热界面至关重要。因此，本文根据石墨烯在LED 芯片中的应用现状和前景，结合实验和仿真方法对石墨烯基传热界面的构筑及其相关物理特性进行了一系列研究，具体研究工作和成果如下：　　1. 石墨烯基界面结构传热性能实验研究。利用磁控溅射方法和滴涂法制备了内嵌石墨烯传热界面的薄膜样品，构建了硅/石墨烯/铜和铜/石墨烯/铜两种石墨烯基界面结构，研究了石墨烯基界面传热性能的影响因素。研究结果表明，导致界面样品热阻差异的主要因素包括硅与石墨烯和铜之间的界面热阻以及石墨烯在衬底表面的覆盖面积和团聚情况；石墨烯的介入可以增强界面结构的传热能力；铜/石墨烯/铜界面结构中石墨烯的填充对界面传热性能的提升效率更高且提升极限更大；在石墨烯与半导体之间加入金属薄膜过渡层有利于改善界面结构的传热特性。　　2. 石墨烯/金属界面构造与传热机理研究。以LED芯片中常见的铜、镍、铝、银、金五种金属与石墨烯形成的晶格匹配界面为对象，通过密度泛函方法对石墨烯/金属界面构型和界面作用进行了研究，并在此基础上通过基于经验势的非平衡格林函数方法对石墨烯/金属界面声子透射和热导进行了研究。研究结果表明，稳定构型下的石墨烯/镍界面为范德华力与化学键混合作用，其他石墨烯/金属界面间均为范德华作用；应变状态下的石墨烯密度、金属密度以及界面耦合强度是影响界面热导的主要因素，其中较小的石墨烯密度和较大的衬底材料密度不利于界面声子透射，而界面耦合强度与界面声子透射率正相关；以往研究中极少受到关注的材料晶格和密度匹配在范德华力主导的界面热传导中起主要关键作用。　　3. 基于范德华作用的界面热导跨尺度快速预测。利用分子动力学方法研究了热力学特征下石墨烯/金属界面热导的影响因素，据此对基于非平衡态格林函数的石墨烯/金属界面热导预测模型进行了修正，实现了从简单金属晶体热导的非平衡态格林函数计算结果向大规模界面结构分子动力学计算结果的映射。通过不同界面应力状态下分子动力学界面热导计算结果与预测结果的对比，证实了预测模型具有较好的准确性和实用性。　　4. 石墨烯/半导体界面传热特性和热可靠性研究。以 LED 芯片中常用的半导体材料硅、碳化硅、氮化镓与石墨烯间的界面为对象，通过密度泛函方法对石墨烯/半导体界面结构和界面作用进行了研究，在此基础上对石墨烯/半导体界面的结合强度、失效机制和热可靠性进行了分子动力学仿真，并从声子匹配角度揭示了不同界面作用下的石墨烯/半导体界面传热特性和机理。研究结果表明，衬底材料和表面原子以及石墨烯应力状态会影响石墨烯与半导体之间的界面作用方式，导致界面中一定比例的范德华力和共价键共同作用；石墨烯与碳化硅之间成键潜力较大，而石墨烯/硅界面间成键比例达到 ~ 6%时将趋于饱和；石墨烯/半导体界面的失效与界面键合强度和界面成键下石墨烯的强度相关，热冲击循环载荷可以提升石墨烯/半导体界面结构强度；在范德华作用下，不同材料间固有的声子匹配情况决定了两种材料间的界面传热能力，且温度变化可以改变材料间声子匹配从而调节界面传热能力；而界面共价作用为界面间声子传递提供了额外通道，共价作用下不同材料中被激发的匹配声子将使界面传热能力显著提高。　　5. 石墨烯基传热界面取向构筑与热整流功能实现。针对基于石墨烯片的分散体系复合结构，利用分子动力学方法研究了石墨烯片的分布取向、填充密度、片径尺寸等对复合结构热导的影响，在此基础上研究了内嵌非对称石墨烯基界面的金属纳米薄膜传热特性和热整流性能，最后通过实验制备了内嵌石墨烯基传热界面的热整流器件。研究结果表明，结构横截面内范德华作用界面的规模对结构热导起主导作用；当石墨烯填充密度较大时，与热流方向一致的石墨烯填充取向可以补偿范德华作用界面对热流的阻碍；当结构中石墨烯总填充量一定时，大尺寸高取向的石墨烯填充有利于复合结构传热性能的改善和提高；热整流效应由范德华作用界面的规模和石墨烯内嵌结构的非对称度共同决定，其中范德华作用界面的规模是热整流效应产生的基本条件，更大的内嵌结构非对称度有利于结构热整流效率的提高；实验结果则进一步表明本文提出的石墨烯基薄膜热整流器设计方案具有可行性和实用性。　　本文以LED芯片热可靠性问题为背景，完善了相关材料匹配下对石墨烯基界面传热特性和热可靠性微观机理的认识，提供了石墨烯基LED芯片传热界面设计的理论基础和优化方案，实现了基于石墨烯基界面的纳米薄膜热整流功能化，对石墨烯基传热界面的合理构筑及其在LED芯片等功率器件热管理中的应用和推广有重要推动作用和指导价值。