二維石墨烯因其卓越的電學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)特性，在后摩爾時代成為硅的有力競爭者。然而，當(dāng)石墨烯與無定形基底耦合時，其平面內(nèi)熱導(dǎo)率會發(fā)生強(qiáng)烈衰減。同時，石墨烯與電介質(zhì)基底之間微弱的范德華相互作用會導(dǎo)致較高的界面熱阻。器件散熱面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，導(dǎo)致熱點(diǎn)升高和電氣性能下降。

本文，華中科技大學(xué)辛國慶 教授、楊愷 副教授、西安電子科技大學(xué)諶東東 副教授等在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊發(fā)表名為“Enhancing Thermal Management of Graphene Devices by Self-Assembled Monolayers”的論文，研究應(yīng)用自組裝單層（SAM）來改變石墨烯和氧化物基底之間的界面，并緩解器件中的熱問題。以 -NH2終止的SAM增強(qiáng)了石墨烯與基底之間的界面耦合強(qiáng)度，從而提高了界面熱導(dǎo)率。以 -CH3結(jié)束的 SAM 能有效抑制基底聲子散射，保持石墨烯的高面內(nèi)熱導(dǎo)率。特別是，-NH2端接的 SAM 顯著提高了石墨烯場效應(yīng)晶體管的散熱效率，緩解了自熱問題。器件的載流能力和最大功率密度分別提高了 28.1% 和 48.2%。我們的研究為在二維電子器件中加入SAM以改善熱管理提供了一個極具吸引力的平臺。

圖文導(dǎo)讀

圖1.單層石墨烯在各種基材上。

圖2. 不同改性層上石墨烯的熱導(dǎo)率測量。

圖3. 石墨烯與不同基底耦合的TBC測量。

圖4. 石墨烯熱性能增強(qiáng)機(jī)制的研究。

圖5. 不同襯底上 G-FET 的電學(xué)和熱學(xué)測量。

小結(jié)

總之，石墨烯與基底之間微弱的 vdW 和聲子散射相互作用會導(dǎo)致 TBC 效率和面內(nèi)熱導(dǎo)率降低。由于石墨烯通道內(nèi)自熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱量難以有效散失，這種劣化會導(dǎo)致石墨烯基器件的可靠性出現(xiàn)問題。在目前的工作中，使用高相容性 SAM 對基底進(jìn)行表面功能化處理，可顯著改善 TBC，并保持基底支撐石墨烯的面內(nèi)熱導(dǎo)率。值得注意的是，APTES 增強(qiáng)了石墨烯與基底之間的界面耦合力，促進(jìn)了聲子傳輸通道的增加，從而改善了 TBC。相反，ODTS 能有效減少基底聲子散射，從而提高石墨烯的面內(nèi)熱導(dǎo)率。SAM 修飾增強(qiáng)了器件的散熱效果，減輕了自熱效應(yīng)。因此，器件的載流能力和最大功率密度都得到了提高。這項(xiàng)研究為優(yōu)化石墨烯器件的電學(xué)和熱學(xué)特性開辟了一條創(chuàng)新之路，推動了石墨烯在電子學(xué)和光電子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。

文獻(xiàn)：

https://doi.org/10.1021/acsami.4c14463