提高金刚石/石墨烯异质结构界面的热输运

来源|International Journal of Heat and Mass Transfer

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

01背景介绍

随着人工智能和高端芯片、微纳米器件的快速发展，芯片的高功率密度导致芯片内产生大量的积热，导致芯片性能和可靠性下降，甚至导致芯片损坏和整个系统损坏。因此，热管理和温度控制显著影响微电子器件的性能和发展。该领域的微观尺度换热备受关注，其中界面热输运占据了主导地位。

目前大量研究集中在界面传热上以及热导率高的材料，从而能更好地促进微电子器件和散热材料的发展。二维材料的热性能及其异质结构是纳米器件高效散热的关键。尤其是二维石墨烯，由于其原子间的强键合，具有超高的导热性。然而，石墨烯的内部声子传输容易受到表面或边缘扰动的影响。即与衬底接触后，面内热导率明显降低。因此，对于石墨烯来说，选择理想的衬底至关重要。尽管之前有很多研究试图找到解决这个问题的方法，但并没有取得突破性的进展。

石墨烯与衬底之间的界面热阻极大地阻碍了其实际应用。传统的剥离和转移到衬底的操作总是会对石墨烯造成折叠和起皱。在基材表面进行原位生长是解决这一问题的更好选择。金刚石作为碳的另一种同素异形体，在1500 ~ 1900℃的高温真空退火下容易转变为石墨。金刚石的C-C键长为14.5nm，石墨烯的C-C键长为14.2nm，两者相差不超过2%。金刚石是作为基板的不错选择，可以减少石墨烯与基板接触时的面外声子散射，因为它们具有高度的结构相似性。然而，目前的研究还没有揭示影响金刚石/石墨烯异质结构界面热传递的因素，通过揭示热传递的因素对于未来设计具有优异导热系数的材料具有重大的指导意义。

02成果掠影

近期，北京科技大学冯妍卉教授关于石墨烯与衬底之间界面热阻问题的研究取得一定进展。该团队基于非平衡分子动力学(NEMD)模拟，研究了金刚石/石墨烯异质结构界面热输运的影响因素，以及石墨烯层数和温度对金刚石/石墨烯异质结构导热系数的影响。结果表明，金刚石/单层石墨烯异质结构的界面导热系数至少是金刚石/多层石墨烯异质结构的两倍。此外，高温也有利于金刚石/石墨烯异质结构的热输运。由于石墨烯的各向异性，团队分析了面内和面外声子态密度，面外声子态密度重叠能量的趋势与界面热导率一致，这表明面外声子对界面传热的影响较大。温度的升高激发了更多的高频声子，从而促进了金刚石和石墨烯的声子耦合。该研究成果较好解释了在较高温度下界面热导率增加的原因。该团队通过分析声子态密度(PDOS)、重叠能和声子参与比(PPR)等关键因素对界面热导的影响，为改善微纳米器件的散热性能提供指导。研究成果以“Enhancing thermal transport across diamond/graphene heterostructure interface”为题发表于《International Journal of Heat and Mass Transfer》。

03图文导读

图1.四层石墨烯的金刚石/石墨烯异质结构仿真模型。

图2.(a)四层石墨烯的金刚石/石墨烯异质结构的温度分布，(b)散热器和热源处的能量分布。

图3.金刚石/石墨烯异质结的截面导热系数变化趋势图。

图4.金刚石/石墨烯异质结构界面导热系数随石墨烯层数的变化趋势。

图5.金刚石与最近的石墨烯层界面热导率以及热导率的倒数与其拟合趋势。

图6.石墨烯和金刚石界面附近的PDOS随石墨烯层数变化。

图7.不同石墨烯层数的金刚石/石墨烯异质结构的PPR。

图8.金刚石/2层石墨烯异质结构在不同温度下的界面热导。

审核编辑：汤梓红