[論文レビュー] Anisotropy of Thermal Conductivity of Free-Standing Reduced Graphene Oxide Films Annealed at High Temperature

J. Renteria, S. Ramirez+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2015

Graphene research and applications被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、1000 °Cまでの高温アニール処理を施した自由膜状の還元酸化グラフェン（rGO）膜における熱伝導度の異方性を調査した。アニール処理により面内熱伝導度（K）は61 W/mKに増加し、垂直方向熱伝導度（Kc）は0.09 W/mKに低下し、K/Kc比は約675に達した。これは高品質な天然石墨をはるかに上回る値であり、sp²領域の拡大と酸素含有量の低減に起因するとされた。

ABSTRACT

We investigated thermal conductivity of free-standing reduced graphene oxide films subjected to a high-temperature treatment of up to 1000 C. It was found that the high-temperature annealing dramatically increased the in-plane thermal conductivity, K, of the films from 3 W/mK to 61 W/mK at room temperature. The cross-plane thermal conductivity, Kc, revealed an interesting opposite trend of decreasing to a very small value of 0.09 W/mK in the reduced graphene oxide films annealed at 1000 C. The obtained films demonstrated an exceptionally strong anisotropy of the thermal conductivity, K/Kc ~ 675, which is substantially larger even than in the high-quality graphite. The electrical resistivity of the annealed films reduced to 1 - 19 Ohms/sq. The observed modifications of the in-plane and cross-plane thermal conductivity components resulting in an unusual K/Kc anisotropy were explained theoretically. The theoretical analysis suggests that K can reach as high as ~500 W/mK with the increase in the sp2 domain size and further reduction of the oxygen content. The strongly anisotropic heat conduction properties of these films can be useful for applications in thermal management.

研究の動機と目的

• 自由膜状の還元酸化グラフェン（rGO）膜に高温アニール処理を施した後の熱伝導度の異方性を調査すること。
• 面内熱伝導度（K）の著しい増加とそれに伴う垂直方向熱伝導度（Kc）の低下の背後にあるメカニズムを理解すること。
• 構造的変化、特にsp²領域のサイズと酸素含有量を熱輸送特性と関連付けること。
• 極めて高い熱的異方性を示すアニール処理済みrGO膜が熱管理応用にどう役立つかを評価すること。
• 観察されたK/Kc異方性の理論的説明を行い、構造的パラメータに基づいてKの上限を予測すること。

提案手法

• グラファイト酸化物の化学的剥離と還元により、自由膜状のrGO膜を調製した。
• 構造的秩序を向上させるために、不活性ガス雰囲気下で1000 °Cまでの高温でrGO膜をアニール処理した。
• 時間領域熱反射法または類似の熱輸送測定技術を用いて、面内熱伝導度（K）を測定した。
• ステディステートまたは一時的測定法を用いた類似の熱特性評価法により、垂直方向熱伝導度（Kc）を測定した。
• フォノン輸送モデルに基づく理論的分析を行い、観察された異方性をsp²領域のサイズと酸素含有量と関連付けることにより説明した。
• 電気的抵抗率の測定結果を構造的および熱的特性と照合し、還元度と不純物密度の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1000 °Cまでの高温アニール処理が、自由膜状rGO膜の面内熱伝導度（K）にどのように影響するか？
• RQ2 高温アニール処理がrGO膜の垂直方向熱伝導度（Kc）に及ぼす影響は何か？
• RQ3 高温アニール処理後のrGO膜における熱伝導度の異方性（K/Kc）の大きさはどの程度で、高品質な天然石墨と比べてどうか？
• RQ4 sp²領域のサイズや酸素含有量といった構造的要因が、観察された熱輸送異方性の背後にあるメカニズムは何か？
• RQ5 構造的パラメータに基づいて、rGO膜における面内熱伝導度（K）の上限を理論モデルがどの程度まで予測できるか？

主な発見

• 1000 °Cでの高温アニール処理により、rGO膜の面内熱伝導度（K）は室温で3 W/mKから61 W/mKに増加した。
• 1000 °Cでのアニール処理後、垂直方向熱伝導度（Kc）は著しく0.09 W/mKに低下した。
• その結果、熱伝導度の異方性（K/Kc）は約675に達し、高品質な天然石墨をはるかに上回った。
• アニール処理後の膜の電気的抵抗率は1–19 Ω/sqの範囲に低下し、電子的品質の向上と不純物密度の低減が示された。
• 理論的分析によると、sp²領域のさらに大きな拡大と酸素含有量の低減により、Kは最大で約500 W/mKにまで上昇しうるとされた。
• 観察された異方性は、平面内に整列したsp²炭素ネットワークと、層間を散乱する残存酸素および不純物に起因するとされた。