提高金剛石/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面的熱輸運(yùn)

來源|International Journal of Heat and Mass Transfer

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

01背景介紹

隨著人工智能和高端芯片、微納米器件的快速發(fā)展，芯片的高功率密度導(dǎo)致芯片內(nèi)產(chǎn)生大量的積熱，導(dǎo)致芯片性能和可靠性下降，甚至導(dǎo)致芯片損壞和整個(gè)系統(tǒng)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(fā)展。該領(lǐng)域的微觀尺度換熱備受關(guān)注，其中界面熱輸運(yùn)占據(jù)了主導(dǎo)地位。

目前大量研究集中在界面?zhèn)鳠嵘弦约盁釋?dǎo)率高的材料，從而能更好地促進(jìn)微電子器件和散熱材料的發(fā)展。二維材料的熱性能及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)是納米器件高效散熱的關(guān)鍵。尤其是二維石墨烯，由于其原子間的強(qiáng)鍵合，具有超高的導(dǎo)熱性。然而，石墨烯的內(nèi)部聲子傳輸容易受到表面或邊緣擾動(dòng)的影響。即與襯底接觸后，面內(nèi)熱導(dǎo)率明顯降低。因此，對(duì)于石墨烯來說，選擇理想的襯底至關(guān)重要。盡管之前有很多研究試圖找到解決這個(gè)問題的方法，但并沒有取得突破性的進(jìn)展。

石墨烯與襯底之間的界面熱阻極大地阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。傳統(tǒng)的剝離和轉(zhuǎn)移到襯底的操作總是會(huì)對(duì)石墨烯造成折疊和起皺。在基材表面進(jìn)行原位生長(zhǎng)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(zhuǎn)變?yōu)槭?。金剛石的C-C鍵長(zhǎng)為14.5nm，石墨烯的C-C鍵長(zhǎng)為14.2nm，兩者相差不超過2%。金剛石是作為基板的不錯(cuò)選擇，可以減少石墨烯與基板接觸時(shí)的面外聲子散射，因?yàn)樗鼈兙哂懈叨鹊慕Y(jié)構(gòu)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(zhì)結(jié)構(gòu)界面熱傳遞的因素，通過揭示熱傳遞的因素對(duì)于未來設(shè)計(jì)具有優(yōu)異導(dǎo)熱系數(shù)的材料具有重大的指導(dǎo)意義。

02成果掠影

近期，北京科技大學(xué)馮妍卉教授關(guān)于石墨烯與襯底之間界面熱阻問題的研究取得一定進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)基于非平衡分子動(dòng)力學(xué)(NEMD)模擬，研究了金剛石/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面熱輸運(yùn)的影響因素，以及石墨烯層數(shù)和溫度對(duì)金剛石/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)的影響。結(jié)果表明，金剛石/單層石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的界面導(dǎo)熱系數(shù)至少是金剛石/多層石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的兩倍。此外，高溫也有利于金剛石/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的熱輸運(yùn)。由于石墨烯的各向異性，團(tuán)隊(duì)分析了面內(nèi)和面外聲子態(tài)密度，面外聲子態(tài)密度重疊能量的趨勢(shì)與界面熱導(dǎo)率一致，這表明面外聲子對(duì)界面?zhèn)鳠岬挠绊戄^大。溫度的升高激發(fā)了更多的高頻聲子，從而促進(jìn)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(dǎo)率增加的原因。該團(tuán)隊(duì)通過分析聲子態(tài)密度(PDOS)、重疊能和聲子參與比(PPR)等關(guān)鍵因素對(duì)界面熱導(dǎo)的影響，為改善微納米器件的散熱性能提供指導(dǎo)。研究成果以“Enhancing thermal transport across diamond/graphene heterostructure interface”為題發(fā)表于《International Journal of Heat and Mass Transfer》。

03圖文導(dǎo)讀

圖1.四層石墨烯的金剛石/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)仿真模型。

圖2.(a)四層石墨烯的金剛石/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的溫度分布，(b)散熱器和熱源處的能量分布。

圖3.金剛石/石墨烯異質(zhì)結(jié)的截面導(dǎo)熱系數(shù)變化趨勢(shì)圖。

圖4.金剛石/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面導(dǎo)熱系數(shù)隨石墨烯層數(shù)的變化趨勢(shì)。

圖5.金剛石與最近的石墨烯層界面熱導(dǎo)率以及熱導(dǎo)率的倒數(shù)與其擬合趨勢(shì)。

圖6.石墨烯和金剛石界面附近的PDOS隨石墨烯層數(shù)變化。

圖7.不同石墨烯層數(shù)的金剛石/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的PPR。

圖8.金剛石/2層石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)在不同溫度下的界面熱導(dǎo)。

審核編輯：湯梓紅