[論文レビュー] Extremely High Thermal Conductivity of Graphene: Experimental Study

Alexander A. Balandin, Subrata Ghosh+5 more|ArXiv.org|Feb 11, 2008

Graphene research and applications参考文献 3被引用数 30

ひとこと要約

この実験的研究では、非接触光学的手法を用いて、支持された単層グラフェンの熱伝導率を測定し、室温に近い温度域で4,840〜5,300 W/mKの値を明らかにした。これは、いかなる材料に対しても記録された中で最も高い値の一つである。結果は、グラフェンが優れた熱伝導能力を有することを示し、カーボンナノチューブを上回り、ナノエレクトロニクス分野における熱管理応用の可能性を示している。

ABSTRACT

We report on the first measurement of the thermal conductivity of a suspended single layer graphene. The measurements were performed using a non-contact optical technique. The near room-temperature values of the thermal conductivity in the range ~ 4840 to 5300 W/mK were extracted for a single-layer graphene. The extremely high value of the thermal conductivity suggests that graphene can outperform carbon nanotubes in heat conduction.

研究の動機と目的

• 予測された特異な熱的性質を示すとされる支持された単層グラフェンの熱伝導率を実験的に測定すること。
• 長年にわたり蓄積された理論的予測を、直接的な実験的裏付けによって解明すること。
• カーボンナノチューブ（熱管理分野の基準材料）と比較して、グラフェンの熱的性能を評価すること。
• グラフェンのような二次元材料における熱伝導率を測定する信頼性の高い実験的手法を確立すること。
• 常温下における支持されたグラフェンの固有の熱輸送特性を定量すること。

提案手法

• 支持されたグラフェン膜における熱輸送を測定するために、非接触光学的手法が用いられた。
• レーザー光ビームによる局所的熱励起と、ラマン分光法を用いた温度上昇のモニタリングが行われた。
• グラフェンシート上の温度プロファイルの空間的・時間的変化を解析することで、熱伝導率が抽出された。
• 基板や環境からの熱的干渉を最小限に抑えるために、支持されたグラフェン試料が使用された。
• 物理的接触を避けることで、測定に伴うアーチファクトを低減した非接触の測定法が可能になった。
• 観測された熱応答を2次元膜内の熱拡산の理論的モデルにフィッティングすることで、データ解析が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 支持された単層グラフェンの固有の熱伝導率は、室温に近い温度域でどの程度か？
• RQ2 同様の条件下で、グラフェンの熱伝導率はカーボンナノチューブと比べてどの程度か？
• RQ3 非接触光学的手法は、グラフェンのような二次元材料における熱輸送を正確に測定できるか？
• RQ4 基板や散乱中心が存在しないことで、グラフェンの熱伝導率はどの程度向上するか？
• RQ5 1原子層のカーボン層で達成可能な熱伝導率の上限はどの程度か？

主な発見

• 支持された単層グラフェンの熱伝導率は、室温に近い温度域で4,840〜5,300 W/mKの範囲に測定された。
• この値は、いかなる材料に対しても測定された中で最も高い値の一つであり、バルク状グラファイトやカーボンナノチューブを大きく上回っている。
• 高い熱伝導率は、支持されたグラフェン膜に特徴的な高いフォノン平均自由行程と低い欠际密度に起因する。
• 非接触光学的手法により、試料を損傷することなく正確な熱伝導率測定が可能になった。
• 理論的予測が、2次元構造と強い共有結合性により、グラフェンが優れた熱輸送特性を示すことを確認した。
• グラフェンの熱伝導率はカーボンナノチューブを上回っており、優れた熱管理応用への可能性を示唆している。