[論文レビュー] Thermal Transport in Graphene and Graphene Multilayers

Alexander A. Balandin, Denis L. Nika|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2015

Thermal properties of materials参考文献 73被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、グラフェンおよび多層グラフェンにおける熱輸送特性をレビューしており、局所的レーザ加熱とラマン分光法を用いたオプトサーマル技術による実験的測定とフォノン輸送の理論的モデリングに焦点を当てている。理論的予測と実験データの包括的比較を通じて、グラフェンの顕著な高い熱伝導率が確立されるとともに、欠陥や結晶粒界といった実材料における制限要因が同定されている。

ABSTRACT

In this paper we review thermal properties of graphene and multilayer graphene and discuss the optothermal technique developed for the thermal conductivity measurements. We also outline different theoretical approaches used for the description of phonon transport in graphene and provide comparison with available experimental thermal conductivity data.

研究の動機と目的

• 単層および多層グラフェンにおける熱輸送の現在の理解をレビューすること。
• 支持されたグラフェン試料における熱伝導率を測定するためのオプトサーマル技術の提示と検証。
• グラフェンにおけるフォノン輸送の理論モデルを実験データと比較すること。
• 現実のグラフェン材料における熱伝導率を制限する主要な散乱メカニズムを同定すること。
• 理論的予測と実験的測定の間の乖離についての批判的評価を提供すること。

提案手法

• 局所的レーザ加熱とラマン分光法による温度上昇のモニタリングを用いて、支持されたグラフェンおよび多層グラフェン試料における熱伝導率をオプトサーマル技術で測定する。
• フォノン輸送の理論的モデリングは、フォノン-フォノン、フォノン-欠陥、フォノン-界面散乱メカニズムを含むボルツマン輸送方程式（BTE）に基づく。
• フォノン分散および群速度を記述するために連続体力学理論と格子力学的計算の両方を用いて理論的予測を導出する。
• 解析的解と数値シミュレーションの組み合わせを用いて、温度、層数、欠陥濃度の関数としての熱伝導率をモデル化する。
• 実験データは、制御された幾何形状を有する支持されたグラフェンデバイスから収集され、環境による熱損失を最小限に抑えるために真空中で測定される。
• 理論的曲線と実験結果との間で、さまざまな温度および層数の範囲において比較分析が行われる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 支持された単層および数層グラフェンの固有熱伝導率は何か？
• RQ2 フォノン輸送モデルに基づく理論的予測と、グラフェンにおける実験的熱伝導率測定値の間にはどのような相違があるか？
• RQ3 欠陥および結晶粒界は、現実のグラフェン試料における熱伝導率の低下にどのような役割を果たすか？
• RQ4 多層系における熱伝導率は、グラフェン層数にどのように依存するか？
• RQ5 BTEにさまざまな散乱メカニズムを組み込んだ異なる理論的手法は、実験的観察をどれほど正確に記述できるか？

主な発見

• 単層グラフェンは、室温で試料の品質や測定方法に応じて約3000–5000 W/mKの熱伝導率を示す。
• 多層グラフェンにおける熱伝導率は層数の増加に伴い上昇するが、約10層で飽和し、6000 W/mK程度の値に達する。
• 実験データは、基板相互作用、欠陥、応力といった試料依存要因のため、散乱が大きく、理論的限界値を下回る熱伝導率を示している。
• フォノン不純物散乱および界面散乱を組み込んだ理論的モデルは、現実の試料で観測された熱伝導率の低下を説明できる。
• オプトサーマル技術は、マイクロメートル未満の空間分解能と高い感度を備えており、支持されたグラフェンにおける正確な熱伝導率測定を可能にする。
• 理論と実験の乖離は、主に理想化されたモデルで完全に捉えられていない制御不能な欠陥および層間結合効果に起因している。