华中科技大学《ACS AMI》：通过自组装单层加强石墨烯器件的热管理

成果简介

二维石墨烯因其卓越的电学、光学和热学特性，在后摩尔时代成为硅的有力竞争者。然而，当石墨烯与无定形基底耦合时，其平面内热导率会发生强烈衰减。同时，石墨烯与电介质基底之间微弱的范德华相互作用会导致较高的界面热阻。器件散热面临严峻挑战，导致热点升高和电气性能下降。

本文，华中科技大学辛国庆 教授、杨恺 副教授、西安电子科技大学谌东东 副教授等在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Enhancing Thermal Management of Graphene Devices by Self-Assembled Monolayers”的论文，研究应用自组装单层（SAM）来改变石墨烯和氧化物基底之间的界面，并缓解器件中的热问题。以 -NH2终止的SAM增强了石墨烯与基底之间的界面耦合强度，从而提高了界面热导率。以 -CH3结束的 SAM 能有效抑制基底声子散射，保持石墨烯的高面内热导率。特别是，-NH2端接的 SAM 显著提高了石墨烯场效应晶体管的散热效率，缓解了自热问题。器件的载流能力和最大功率密度分别提高了 28.1% 和 48.2%。我们的研究为在二维电子器件中加入SAM以改善热管理提供了一个极具吸引力的平台。

图文导读

图1.单层石墨烯在各种基材上。

图2. 不同改性层上石墨烯的热导率测量。

图3. 石墨烯与不同基底耦合的TBC测量。

图4. 石墨烯热性能增强机制的研究。

图5. 不同衬底上 G-FET 的电学和热学测量.

小结

总之，石墨烯与基底之间微弱的 vdW 和声子散射相互作用会导致 TBC 效率和面内热导率降低。由于石墨烯通道内自热效应产生的热量难以有效散失，这种劣化会导致石墨烯基器件的可靠性出现问题。在目前的工作中，使用高相容性 SAM 对基底进行表面功能化处理，可显著改善 TBC，并保持基底支撑石墨烯的面内热导率。值得注意的是，APTES 增强了石墨烯与基底之间的界面耦合力，促进了声子传输通道的增加，从而改善了 TBC。相反，ODTS 能有效减少基底声子散射，从而提高石墨烯的面内热导率。SAM 修饰增强了器件的散热效果，减轻了自热效应。因此，器件的载流能力和最大功率密度都得到了提高。这项研究为优化石墨烯器件的电学和热学特性开辟了一条创新之路，推动了石墨烯在电子学和光电子学领域的发展。

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