提高金刚石/石墨烯异质结构界面的热输运-德赢Vwin官网网

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)vwin ，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 ac ross 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

声明：本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人，不代表德赢Vwin官网网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用，如有内容侵权或者其他违规问题，请联系本站处理。举报投诉

热管理

热管理

+关注

关注
11

文章
441

浏览量
21761
金刚石

金刚石

+关注

关注
1

文章
103

浏览量
9455
二维材料

二维材料

+关注

关注
0

文章
41

浏览量
5529

探秘合成大尺寸单晶金刚石的路线与难题

金刚石因其优异的机械、电学、热学和光学性能，展现出广阔的发展前景。然而，目前工业上通过高温高压法批量生产的单晶金刚石尺寸通常小于10毫米，这极大限制了其在许多领域的应用。因此，实现大尺寸金刚石的合成

发表于 12-18 10:38 •72次阅读

探秘合成大尺寸单晶<b class='flag-5'>金刚石</b>的路线与难题

金刚石成为半导体衬底材料领域的研究热点和市场新宠

特性，正逐步成为半导体衬底材料领域的研究热点和市场新宠。 金刚石的性质 金刚石是典型的原子晶体和共价键晶体，晶体结构如图1(a)所示，它由中间的碳原子以共价键的形式与其余三个碳原子进行结合。图1(b)为晶胞

发表于 12-04 09:18 •260次阅读

<b class='flag-5'>金刚石</b>成为半导体衬底材料领域的研究热点和市场新宠

金刚石遇上激光:不同激光类型加工效果大揭秘

的加工效果存在哪些巨大差异。微秒激光：脉宽较宽，适用于粗加工特点与应用：微秒激光脉宽较宽，通常适用于粗加工。例如，笔者课题组使用波长为 1064nm 的 Nd:YAG 型微秒精密激光切割机完成了金刚石热沉结构的加工。加工效

发表于 11-29 11:36 •205次阅读

<b class='flag-5'>金刚石</b>遇上激光:不同激光类型加工效果大揭秘

金刚石多晶材料：高功率器件散热解决方案

功率器件散热材料的理想选择。 金刚石多晶材料的特点多晶结构:金刚石多晶材料由多个微小的金刚石晶粒组成，具有各向同性的热导率和机械性能。成本较低:与天然单晶

发表于 11-27 16:54 •243次阅读

颠覆传统认知！金刚石：科技界的超级材料，引领未来潮流

金刚石，这种自然界中已知硬度最高、热导率最优的材料，近年来在科学研究和工业应用领域展现出了前所未有的潜力。从散热片到红外窗口，再到半导体材料，金刚石的多重身份正逐步揭开其作为未来科技核心材料的神秘面纱。

发表于 11-22 11:43 •478次阅读

颠覆传统认知！<b class='flag-5'>金刚石</b>：科技界的超级材料，引领未来潮流

金刚石/GaN 异质外延与键合技术研究进展

，界面热阻最低，为9.5 +3.8/-1.7 m2·K·GW-1。金刚石异质外延工艺对所制备金刚石层的质量有很大影响，

发表于 11-01 11:08 •319次阅读

上海光机所在提升金刚石晶体的光学性能研究方面获新进展

图1.退火前后金刚石的应力双折射、可见吸收光谱(左)和红外光谱(右) 近日，中科院上海光机所先进激光与光电功能材料部激光晶体研究中心与浙江无限钻科技发展有限公司合作，在提升金刚石晶体的光学性能研究

发表于 09-12 06:25 •331次阅读

上海光机所在提升<b class='flag-5'>金刚石</b>晶体的光学性能研究方面获新进展

金刚石的熔沸点高于晶体硅的原因

金刚石和晶体硅都是原子晶体，它们的熔沸点主要取决于原子间的键合强度。以下是一些关键因素，这些因素决定了金刚石的熔沸点高于晶体硅：原子间键的类型：金刚石中的碳原子之间形成非常强的共价键，称为sp3

发表于 08-08 10:18 •957次阅读

金刚石碳化硅晶体硅的熔沸点怎么比较

金刚石、碳化硅和晶体硅都是由碳元素构成的晶体材料，它们具有不同的晶体结构和化学性质。一、晶体结构 金刚石 金刚石是一种具有四面体

发表于 08-08 10:17 •1285次阅读

德国科研团队利用超薄金刚石膜降低电子元件热负荷

据悉，此项创新的核心在于金刚石优秀的导热性能与绝缘特性。项目负责人坦言，金刚石可加工成优质的导电路径，以极高效率将热量传导至铜制散热器。

发表于 03-10 10:01 •960次阅读

新型散热材料金刚石纳米膜有望将电动汽车的充电速度提升五倍

近日，德国弗劳恩霍夫研究所 (Fraunhofer) 的科学家们利用超薄金刚石膜成功降低了电子元件的热负荷，并有望将电动汽车的充电速度提升五倍。

发表于 03-07 16:33 •1366次阅读

新型散热材料<b class='flag-5'>金刚石</b>纳米膜有望将电动汽车的充电速度提升五倍

石墨烯电容

传统的储能元件，石墨烯电容具有更快的充放电速度。这意味着您的设备可以在更短的时间内充满电，并快速释放能量。这不仅提高了设备的使用效率，还为您节省了宝贵的时间。三、长寿命，值得信赖石墨

发表于 02-21 20:28

CVD金刚石在机械密封领域中的应用

随着科技的不断发展，金刚石在许多领域中都展现出了巨大的应用潜力。其中，化学气相沉积（CVD）金刚石由于其独特的物理和化学性质，尤其在机械密封领域中有着广泛的应用前景。

发表于 01-04 10:17 •926次阅读

金刚石晶体的不同类型及应用梳理

金刚石是我们都非常熟悉的超硬材料，人造金刚石晶体有多种不同的类型，大致可分为单形和聚形，每种类型都具有不同的特性和应用。本文梳理了金刚石晶体的不同类型及应用。

发表于 01-02 15:47 •2380次阅读

增强GaN/3C-SiC/金刚石结构的散热性能以适应实际器件应用

热管理在当代电子系统中至关重要，而金刚石与半导体的集成提供了最有前途的改善散热的解决方案。

发表于 12-24 10:03 •1248次阅读

搜索历史

提高金刚石/石墨烯异质结构界面的热输运

评论