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

本文，華中科技大學辛國慶 教授、楊愷 副教授、西安電子科技大學諶東東 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增強了石墨烯與基底之間的界面耦合強度，從而提高了界面熱導率。以 -CH3結束的 SAM 能有效抑制基底聲子散射，保持石墨烯的高面內(nèi)熱導率。特別是，-NH2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. 石墨烯熱性能增強機制的研究。

圖5. 不同襯底上 G-FET 的電學和熱學測量。

小結

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致 TBC 效率和面內(nèi)熱導率降低。由于石墨烯通道內(nèi)自熱效應產(chǎn)生的熱量難以有效散失，這種劣化會導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)熱導率。值得注意的是，APTES 增強了石墨烯與基底之間的界面耦合力，促進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)熱導率。SAM 修飾增強了器件的散熱效果，減輕了自熱效應。因此，器件的載流能力和最大功率密度都得到了提高。這項研究為優(yōu)化石墨烯器件的電學和熱學特性開辟了一條創(chuàng)新之路，推動了石墨烯在電子學和光電子學領域的發(fā)展。

文獻：

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