二維石墨烯由于其優越的電學、光學和熱學性能,在后摩爾時代成為硅的有力競爭者。然而,當石墨烯與非晶襯底耦合時,其面內導熱性會發生強烈的退化。同時,石墨烯與介質襯底之間微弱的范德華相互作用導致界面熱阻高。器件散熱面臨嚴峻挑戰,熱點升高,電氣性能下降。在這里,應用自組裝單層(SAMs)來修飾石墨烯和氧化物襯底之間的界面,并減輕器件中的熱問題。−NH
2端接的SAM增強了石墨烯與襯底之間的界面耦合強度,增加了界面導熱系數。−CH
3端接的SAM有效地抑制了襯底聲子散射,保持了石墨烯的高面內導熱性。特別是,−NH
2端接的SAM顯著提高了石墨烯場效應晶體管的散熱效率,緩解了自熱問題。器件的載流容量和最大功率密度分別提高了28.1%和48.2%。研究提供了一個非常有吸引力的平臺,用于整合地對空導彈來改善二維電子器件的熱管理。
圖1. 不同基底上的單層石墨烯。(a) SiO
2、APTES/SiO
2和ODTS/SiO
2上石墨烯的結構示意圖。ODT和APET上的末端官能團分別為−CH
3和−NH
2。(b) 原始SiO
2、APTES/SiO
2和ODTS/SiO
2襯底的AFM圖像;比例尺為1μm。(c) (b)中樣品表面的高度直方圖。(d) 原始SiO2、APTES/SiO
2和ODTS/SiO
2基板的接觸角。
圖2. (a) 石墨烯在不同改性層上的熱導率測量。(a、b)懸掛式電熱測溫平臺示意圖(a)和掃描電鏡圖像(b)。(c) 原始SiO
2、APTES/SiO
2和ODTS/SiO
2襯底上石墨烯樣品的熱導率。(d) 不同襯底上石墨烯薄膜的熱導率隨溫度的變化。比較顯示了文獻中CVD生長石墨烯樣品的熱導率測量值。
圖3. 石墨烯與不同襯底耦合的TBC測量。(a) 設備熱阻分布示意圖。(b–d)原始SiO
2(b)、ODT/SiO
2(c)和APTES/SiO
2(d)上的ΔTGr和ΔTSi與P的關系。(e) 石墨烯在不同基底上的TBC。(f) 與其他報道的石墨烯和SiO
2的TBC的比較證明了我們的基底修飾的積極影響。
圖4. 石墨烯熱性能增強機理的研究。(a)不同改性層石墨烯碳原子的XPS光譜。(b)石墨烯的紫外發射光譜。(c)石墨烯薄膜在APTES/SiO
2、ODTS/SiO
2和SiO
2上的拉曼光譜,石墨烯的特征G峰和2D峰。(d) ODTS(左)和APTES(右)石墨烯器件的散熱示意圖。
圖5. 各種襯底上G-FET的電學和熱學測量。(a) 溝道尺寸為3×6μm
2的G-FET器件的高場擊穿。(b) 拉曼測溫測量裝置示意圖。(C) 在工作功率為8 mW時,分別在SiO
2(左)、ODTS/SiO
2(中)和APTES/SiO
2(右)上繪制石墨烯溝道溫度圖。(d和e)分別在APTES/SiO
2、ODTS/SiO
2和SiO
2上的G-FET器件的最大電流密度(d)和功率密度(e)。比例尺為1μm。
相關研究成果由華中科技大學
Kai Yang、Guoqing Xin和西安電子科技大學Dongdong Chen課題組2024年發表在
ACS Applied Materials & Interfaces (鏈接:https://doi.org/10.1021/acsami.4c14463)上。原文:
Enhancing Thermal Management of Graphene Devices by Self-Assembled Monolayers
轉自《石墨烯研究》公眾號