[論文レビュー] Phonon Transport in Suspended Single Layer Graphene

Xiangfan Xu, Yu Wang+11 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2010

Thermal properties of materialsMaterials Science被引用数 19

ひとこと要約

本研究では、15 K から 380 K の温度範囲で、スパナード銅ベース化学蒸着法（Cu-CVD）で作製された単層グラフェン（SLG）における初めての温度依存性フォノン輸送測定を報告する。マイクロフォーミングされたスパナードデバイスを用いて、単位面積あたりの熱伝導度が ∼1.7 × 10⁵ T¹.⁵³ W/m²K に比例することを示し、これは曲げ音響（ZA）フォノンによる支配的熱輸送を示しており、低温域でバルトロン限界の約30％に達することから、CVD法で成長させたグラフェンの高い熱的品質を確認した。

ABSTRACT

We report the first temperature dependent phonon transport measurements in suspended Cu-CVD single layer graphene (SLG) from 15K to 380K using microfabricated suspended devices. The thermal conductance per unit cross section $σ$/A increases with temperature and exhibits a peak near T~280K ($\pm$10K) due to the Umklapp process. At low temperatures (T<140K), the temperature dependent thermal conductivity scales as ~T^{1.5}, suggesting that the main contribution to thermal conductance arises from flexural acoustic (ZA) phonons in suspended SLG. The $σ$/A reaches a high value of 1.7$ imes10^5 T^{1.5}$ W/m^2K, which is approaching the expected ballistic phonon thermal conductance for two-dimensional graphene sheets. Our results not only clarify the ambiguity in the thermal conductance, but also demonstrate the potential of Cu-CVD graphene for heat related applications.

研究の動機と目的

• スパナード単層グラフェン（SLG）における温度依存性熱伝導度を測定し、内在的熱輸送特性に関する曖昧さを解消すること。
• 特に低温域において熱伝導を支配するフォノンモードを特定すること。
• エキスフォリエーテッドグラフェンおよび理論的バルトロン限界と比較して、Cu-CVD法で成長させたグラフェンの熱的性能を評価すること。
• フォノン-フォノンUmklapp散乱および欠际に起因する散乱が、熱伝導度をどのように制限しているかを調査すること。

提案手法

• SiNₓ/Siウェーハ上に事前にパターン化されたPtヒーターおよびセンサ抵抗素子を備えたマイクロフォーミングされたスパナードデバイスを製作した。
• 乾式転写プロセスを用いて、大面積かつ高品質なCu-CVD法で成長したSLGをスパナード膜上に転写した。
• Cr/Au接触を用いたスパナードマイクロブリッジ構造を採用し、良好な熱的および電気的接触を確保した。
• 四端子配置を用いて、ジュール加熱とヒーターおよびセンサの抵抗変化を測定し、単位面積あたりの熱伝導度（σ/A）を測定した。
• σ/Aの温度依存性を分析し、データをべき乗則（T¹.⁵）にフィットさせ、フォノン輸送メカニズムを同定した。
• サーモポワワ測定を用いてキャリアの種別を調査し、フォノンドラッグ効果を確認したが、スパナードSLGではフォノンドラッグの存在を確認できなかった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スパナードCu-CVD単層グラフェンにおける熱伝導度の温度依存性は何か？
• RQ2 特に低温域において、スパナードSLGで熱輸送を支配するフォノン分岐はどれか？
• RQ3 Cu-CVDグラフェンにおけるフォノン輸送は、どの程度バルトロン限界に近いか？
• RQ4 Umklapp散乱および欠陊に起因する散乱が、異なる温度域で熱伝導度にどのように影響するか？
• RQ5 スパナードCVDグラフェンにフォノンドラッグの証拠はあるか？これはキャリア-フォノン結合に何を示唆するか？

主な発見

• スパナードCu-CVD SLGにおける単位面積あたりの熱伝導度（σ/A）は、15 K から 140 K の範囲で ∼1.7 × 10⁵ T¹.⁵³ W/m²K に比例し、これは曲げ音響（ZA）フォノンによる支配的寄与を示している。
• 室温（300 K）におけるσ/Aは3.8 × 10⁸ W/m²Kに達し、エキスフォリエーテッドSLGに報告された値と同等である。
• 低温域におけるσ/Aのスケーリング（T¹.⁵）は、500 nmのチャネル長サンプルがグラフェンの理論的バルトロン限界のおよそ30％に近づいていることを示している。
• 高温域におけるUmklapp散乱の増加により、約280 K（±10 K）にピークを示す熱伝導度の上昇が観察され、その後低下した。
• サーモポワワ測定では、ジュール加熱に比例した線形な電圧応答が得られ、T = 0 Kでの外挿値がゼロであったため、スパナードCVD SLGにはフォノンドラッグが存在しないことが確認された。
• バルトロン輸送からの逸脱は、PMMA残留物、CVD特有の欠陊、リッジ、および炭素13同素体不純物に起因する残留散乱に起因するとされた。