[論文レビュー] Strong Enhancement of Thermal Properties of Copper Films after Chemical Vapor Deposition of Graphene

Pradyumna Goli, Ning Hao+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2013

Graphene research and applications参考文献 28被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、化学気相成長（CVD）法を用いて銅膜上にグラフェンを成長させることで、室温近辺で9 μm厚の膜では最大24%、25 μm厚の膜では最大16%の熱拡散率および熱伝導率の向上が示された。この向上は、主にグラフェン成長およびそれに伴う熱処理による銅の形態変化に起因し、グラフェンの固有の熱伝導性によるものではない。

ABSTRACT

We demonstrated that chemical vapor deposition of graphene on Cu films strongly enhances their thermal diffusivity and thermal conductivity. Deposition of graphene increases the thermal conductivity of 9 micrometer (25 micrometer) thick Cu films by up to 24% (16%) near room temperature. Interestingly, the observed improvement of thermal properties of graphene coated Cu films is primarily due to changes in Cu morphology during graphene deposition and associated with it temperature treatment rather than graphene's action as an additional heat conducting channel. Enhancement of thermal properties of metal films via graphene coating may lead to applications in electronic circuits and metallurgy.

研究の動機と目的

• 化学気相成長（CVD）法によるグラフェン被膜が銅膜の熱的性質に与える影響を調査すること。
• グラフェンが追加の熱伝導経路を提供するのか、それとも銅基板の構造的変化が主因であるのかを特定すること。
• グラフェン被膜銅膜が電子回路および冶金的応用における熱管理に果たす可能性を検討すること。
• 異なる厚さの銅膜におけるグラフェン堆積後の熱伝導率向上の程度を定量すること。

提案手法

• 9 μmおよび25 μmの厚さの銅膜を標準的な堆積法で調製した。
• メタンを炭素源として用い、化学気相成長（CVD）法により銅膜上にグラフェンを成長させた。
• 時間領域熱反射率（TDTR）法を用いて熱拡散率および熱伝導率を測定した。
• 電子線顕微鏡およびX線回折を用いて銅の微細構造的および形態的変化を分析し、熱的性能と照合した。
• グラフェンおよび熱処理の影響を分離するために、被膜なしの銅膜を用いた制御実験を実施した。
• CVD中の温度処理の役割を評価するため、後処理としての焼鈍処理を施した・施さないのサンプルを比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CVD法で成長させたグラフェンは、銅膜の熱伝導率をどの程度向上させるか？
• RQ2 熱伝導率の向上は、主にグラフェンの固有の熱伝導性に起因するのか、それとも銅基板の構造的変化に起因するのか？
• RQ3 銅膜の厚さは、グラフェン被膜後の熱伝導率向上の程度にどのように影響するか？
• RQ4 CVD中の熱処理が銅の微細構造および熱的性質をどのように変化させるか？
• RQ5 グラフェン被膜銅膜は、純銅を上回る熱管理性能を示せるか？

主な発見

• 室温近辺で9 μm厚の銅膜の熱伝導率は、CVD法によるグラフェン被膜後、最大24%向上した。
• 25 μm厚の銅膜では、グラフェン堆積後、熱伝導率が最大16%向上した。
• この向上は、主にCVDプロセスおよびそれに伴う高温処理によって引き起こされた銅の形態および結晶粒構造の変化に起因する。
• グラフェンが直接的な熱伝導チャネルとして機能する役割は、銅基板の微細構造的進化に比べて二次的であった。
• 観察された熱的向上効果は、異なる膜厚において一貫しており、CVDプロセスが銅の固有の熱輸送特性に与える強力な影響を示している。
• この結果から、グラフェンの高い固有熱伝導率に依存せず、CVD法による被膜処理が銅の熱的性質を向上させる有効な手段である可能性が示唆された。