二維石墨烯由于其優(yōu)越的電學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)性能，在后摩爾時(shí)代成為硅的有力競(jìng)爭(zhēng)者。然而，當(dāng)石墨烯與非晶襯底耦合時(shí)，其面內(nèi)導(dǎo)熱性會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的退化。同時(shí)，石墨烯與介質(zhì)襯底之間微弱的范德華相互作用導(dǎo)致界面熱阻高。器件散熱面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，熱點(diǎn)升高，電氣性能下降。在這里，應(yīng)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(qiáng)了石墨烯與襯底之間的界面耦合強(qiáng)度，增加了界面導(dǎo)熱系數(shù)。−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(nèi)導(dǎo)熱性。特別是，−NH
2端接的SAM顯著提高了石墨烯場(chǎng)效應(yīng)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(gè)非常有吸引力的平臺(tái)，用于整合地對(duì)空導(dǎo)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(jié)構(gòu)示意圖。ODT和APET上的末端官能團(tuán)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(dǎo)率測(cè)量。（a、b）懸掛式電熱測(cè)溫平臺(tái)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(dǎo)率。（d） 不同襯底上石墨烯薄膜的熱導(dǎo)率隨溫度的變化。比較顯示了文獻(xiàn)中CVD生長(zhǎng)石墨烯樣品的熱導(dǎo)率測(cè)量值。
圖3. 石墨烯與不同襯底耦合的TBC測(cè)量。（a） 設(shè)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(guān)系。（e） 石墨烯在不同基底上的TBC。（f） 與其他報(bào)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(qiáng)機(jī)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(fā)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(xué)和熱學(xué)測(cè)量。（a） 溝道尺寸為3×6μm
2的G-FET器件的高場(chǎng)擊穿。（b） 拉曼測(cè)溫測(cè)量裝置示意圖。（C） 在工作功率為8 mW時(shí)，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(guān)研究成果由華中科技大學(xué)
Kai Yang、Guoqing Xin和西安電子科技大學(xué)Dongdong Chen課題組2024年發(fā)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(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
