提高金剛石/石墨烯異質結構界面的熱輸運

熱管理博覽會

2023年4月18日 09:20

來源 | International Journal of Heat and Mass Transfer

原文 | https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124123

背景介紹

隨著人工智能和高端芯片、微納米器件的快速發展，芯片的高功率密度導致芯片內產生大量的積熱，導致芯片性能和可靠性下降，甚至導致芯片損壞和整個系統損壞。因此，熱管理和溫度控制顯著影響微電子器件的性能和發展。該領域的微觀尺度換熱備受關注，其中界面熱輸運占據了主導地位。

目前大量研究集中在界面傳熱上以及熱導率高的材料，從而能更好地促進微電子器件和散熱材料的發展。二維材料的熱性能及其異質結構是納米器件高效散熱的關鍵。尤其是二維石墨烯，由于其原子間的強鍵合，具有超高的導熱性。然而，石墨烯的內部聲子傳輸容易受到表面或邊緣擾動的影響。即與襯底接觸后，面內熱導率明顯降低。因此，對于石墨烯來說，選擇理想的襯底至關重要。盡管之前有很多研究試圖找到解決這個問題的方法，但并沒有取得突破性的進展。

石墨烯與襯底之間的界面熱阻極大地阻礙了其實際應用。傳統的剝離和轉移到襯底的操作總是會對石墨烯造成折疊和起皺。在基材表面進行原位生長是解決這一問題的更好選擇。金剛石作為碳的另一種同素異形體，在1500 ~ 1900℃的高溫真空退火下容易轉變為石墨。金剛石的C-C鍵長為14.5nm，石墨烯的C-C鍵長為14.2nm，兩者相差不超過2%。金剛石是作為基板的不錯選擇，可以減少石墨烯與基板接觸時的面外聲子散射，因為它們具有高度的結構相似性。然而，目前的研究還沒有揭示影響金剛石/石墨烯異質結構界面熱傳遞的因素，通過揭示熱傳遞的因素對于未來設計具有優異導熱系數的材料具有重大的指導意義。

成果掠影

近期，北京科技大學馮妍卉教授關于石墨烯與襯底之間界面熱阻問題的研究取得一定進展。該團隊基于非平衡分子動力學(NEMD)模擬，研究了金剛石/石墨烯異質結構界面熱輸運的影響因素，以及石墨烯層數和溫度對金剛石/石墨烯異質結構導熱系數的影響。結果表明，金剛石/單層石墨烯異質結構的界面導熱系數至少是金剛石/多層石墨烯異質結構的兩倍。此外，高溫也有利于金剛石/石墨烯異質結構的熱輸運。由于石墨烯的各向異性，團隊分析了面內和面外聲子態密度，面外聲子態密度重疊能量的趨勢與界面熱導率一致，這表明面外聲子對界面傳熱的影響較大。溫度的升高激發了更多的高頻聲子，從而促進了金剛石和石墨烯的聲子耦合。該研究成果較好解釋了在較高溫度下界面熱導率增加的原因。該團隊通過分析聲子態密度(PDOS)、重疊能和聲子參與比(PPR)等關鍵因素對界面熱導的影響，為改善微納米器件的散熱性能提供指導。研究成果以“Enhancing thermal transport across diamond/graphene heterostructure interface”為題發表于《International Journal of Heat and Mass Transfer》。

圖文導讀