[論文レビュー] Role of Remote Interfacial Phonon (RIP) Scattering in Heat Transport Across Graphene/SiO<sub>2</sub> Interfaces

Yee Kan Koh, Austin S. Lyons+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2016

Thermal properties of materials被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、グラフェン/SiO₂界面における静電界誘発熱的界面熱伝導率変化を測定するために、電圧変調型サーモレフレクタンス（VMTR）を導入した。著者らは、0.2 V nm⁻¹未満の電界下で最大0.8 MW m⁻² K⁻¹の熱伝導率上昇を観測したが、遠く離れた界面フォノン（RIP）散乱が、高キャリア濃度（約4×10¹² cm⁻²）でも総熱伝導率に2%未満の寄与にとどまることを示し、非バイアス状態のグラフェン/SiO₂系においてRIP散乱は無視できることが示された。

ABSTRACT

Heat transfer across interfaces of graphene and polar dielectrics (e.g. SiO2) could be mediated by direct phonon coupling, as well as electronic coupling with remote interfacial phonons (RIPs). To understand the relative contribution of each component, we develop a new pump-probe technique, called voltage-modulated thermoreflectance (VMTR), to accurately measure the change of interfacial thermal conductance under an electrostatic field. We employed VMTR on top gates of graphene field-effect transistors and find that the thermal conductance of SiO2/graphene/SiO2 interfaces increases by up to {\\Delta}G=0.8 MW m-2 K-1 under electrostatic fields of <0.2 V nm-1 . We propose two possible explanations for the observed {\\Delta}G. First, since the applied electrostatic field induces charge carriers in graphene, our VMTR measurements could originate from heat transfer between the charge carriers in graphene and RIPs in SiO2. Second, the increase in heat conduction could be caused by better conformity of graphene interfaces un-der electrostatic pressure exerted by the induced charge carriers. Regardless of the origins of the observed {\\Delta}G, our VMTR measurements establish an upper limit for heat transfer from unbiased graphene to SiO2 substrates via RIP scattering; i.e., only <2 % of the interfacial heat transport is facilitated by RIP scattering even at a carrier concentration of 4x10^12 cm-2.

研究の動機と目的

• グラフェン/SiO₂界面を横断する界面熱伝導率に及ぼす遠く離れた界面フォノン（RIP）散乱の寄与を分離・定量すること。
• 2次元材料ヘテロ構造における電場依存熱伝導率変化を測定可能な手法の開発。
• 非バイアス状態のグラフェン/SiO₂基板において、RIP散乱が熱伝導を顕著に増強するか否かの特定。
• 静電圧および界面適合性が熱輸送をどのように制御するかの評価。

提案手法

• 静電界下での界面熱伝導率変化を測定可能な、新規の電圧変調型サーモレフレクタンス（VMTR）技術の開発。
• 上部ゲート付きグラフェンフィールドエフェクトトランジスタを用い、制御された静電界（<0.2 V nm⁻¹まで）を印加しながら熱伝導率変化を測定。
• 電荷キャリア密度を用いて算出される静電圧ΔP = [q²Δ(n–p)²]/(2ε) に基づき、熱伝導率変化ΔGを電場依存性として測定。
• ΔGと静電圧の相関関係を解析し、界面の剛性化、近接場放射熱伝達、適合性向上といったメカニズムを区別。
• 理論的モデルを用いて、測定されたΔGに基づき、RIP散乱寄与の上限を推定。
• 実験的ΔGを近接場放射熱伝達および弾性変形モデルの予測と比較し、支配的メカニズムを評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非バイアス状態のグラフェン/SiO₂ヘテロ構造において、遠く離れた界面フォノン（RIP）散乱が界面熱伝導率に及ぼす寄与は何か？
• RQ2 静電界はグラフェン/SiO₂系の界面熱伝導率を制御可能か？ もしそうなら、そのメカニズムは何か？
• RQ3 静電圧と水圧の両者を比較した場合、グラフェン/SiO₂界面の熱伝導率にどのような影響を及ぼすか？
• RQ4 観測された熱伝導率上昇は、界面適合性の向上によるものか、それともRIP散乱による追加の熱伝導チャネルによるものか？
• RQ5 高キャリア濃度下で、グラフェン/SiO₂界面におけるRIP散乱寄与の上限は何か？

主な発見

• SiO₂/グラフェン/SiO₂界面の熱伝導率は、0.2 V nm⁻¹未満の電界下で最大ΔG ≈ 0.8 MW m⁻² K⁻¹まで上昇する。
• 測定された熱伝導率上昇は、静電圧（dG/dP ≈ 0.2–0.8 m s⁻¹ K⁻¹）に線形依存しており、水圧下の値と比べて著しく高い勾配を示す。
• RIP散乱による界面熱伝導率への寄与は、キャリア濃度が約4×10¹² cm⁻²に達しても、総伝導率の2%未満にとどまる。
• 観測されたΔGは、界面の剛性化や近接場放射熱伝達の予測と整合せず、両者ともに観測値よりもはるかに小さい伝導率変化を予測する。
• 最も妥当な説明は、静電圧による界面適合性の向上であり、理論モデルでは弾性変形に起因するdG/dP ≈ 1.4 m s⁻¹ K⁻¹の予測値が得られている。
• VMTR技術により、電場誘発熱伝導率変化を的確に分離可能であり、グラフェン/SiO₂系におけるRIP散乱寄与の上限を確立した。