[논문 리뷰] Role of Remote Interfacial Phonon (RIP) Scattering in Heat Transport Across Graphene/SiO<sub>2</sub> Interfaces

Yee Kan Koh, Austin S. Lyons외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 28.

Thermal properties of materials인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 그래핀/SiO₂ 인터페이스에서 전기장에 의해 유도된 열전도도 변화를 측정하기 위해 전압 조절형 열반사도(VMTR)를 도입한다. 저자들은 전기장이 0.2 V nm⁻¹ 이하일 경우 열전도도가 최대 0.8 MW m⁻² K⁻¹ 증가하는 것을 발견했지만, 고적재 농도(~4×10¹² cm⁻²)에서도 원거리 인터페이스 포논(RIP) 산란이 총 열전달에 2% 미만 기여하는 것으로 나타내어, 비가동 상태의 그래핀/SiO₂ 시스템에서는 RIP 산란이 무시할 만하다는 것을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 그래핀/SiO₂ 인터페이스에서 원거리 인터페이스 포논(RIP) 산란이 열전도도에 기여하는 정도를 분리하고 정량화하는 것.
• 2차원 물질 이종구조에서 전기장 의존성 열전도도 변화를 측정할 수 있는 방법을 개발하는 것.
• 비가동 상태의 그래핀을 SiO₂ 기판에 놓았을 때 RIP 산란이 열전도를 크게 향상시키는지 여부를 판단하는 것.
• 전기적 압력과 인터페이스의 적합성 변화가 열전도를 어떻게 조절하는지 평가하는 것.

제안 방법

• 적용된 전기장 하에서 인터페이스 열전도도 변화를 측정하기 위해 새로운 전압 조절형 열반사도(VMTR) 기법을 개발하는 것.
• 제어된 전기장(최대 <0.2 V nm⁻¹)을 가하는 상부 게이트형 그래핀 필드효과 트랜지스터를 사용하여 열전도도 변화를 측정하는 것.
• 전하 운반자 농도를 통해 유도된 전기적 압력 ΔP = [q²Δ(n–p)²]/(2ε)를 이용해 열전도도 변화 ΔG 를 전기적 압력의 함수로 측정하는 것.
• ΔG 와 전기적 압력 간의 상관관계를 분석하여 인터페이스 강성 증가, 근접장 복사, 개선된 적합성 등의 메커니즘을 구별하는 것.
• 측정된 ΔG 를 바탕으로 RIP 산란 기여도의 상한선을 추정하기 위해 이론 모델을 사용하는 것.
• 측정된 실험적 ΔG 를 근접장 복사 전달 및 탄성 변형 모델의 예측치와 비교하여 주요 메커니즘을 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비가동 상태의 그래핀/SiO₂ 이종구조에서 원거리 인터페이스 포논(RIP) 산란이 인터페이스 열전도도에 기여하는 정도는 얼마인가요?
• RQ2 전기장가 그래핀/SiO₂ 시스템의 인터페이스 열전도도를 조절할 수 있으며, 만약 가능하면 그 메커니즘은 무엇인가요?
• RQ3 전기적 압력가 그래핀/SiO₂ 인터페이스의 열전도도에 미치는 영향은 수압에 비해 어떻게 다를까요?
• RQ4 관측된 열전도도 증가가 향상된 인터페이스 적합성 때문인지, 아니면 RIP 산란을 통한 추가 열전달 채널 때문인지 여부는 무엇인가요?
• RQ5 고적재 농도 조건에서 그래핀/SiO₂ 인터페이스의 열전도에 대한 RIP 산란 기여도의 상한선은 얼마인가요?

주요 결과

• SiO₂/그래핀/SiO₂ 인터페이스의 열전도도는 전기장이 <0.2 V nm⁻¹ 일 때 최대 ΔG ≈ 0.8 MW m⁻² K⁻¹ 증가한다.
• 측정된 열전도도 증가량은 전기적 압력에 대해 선형적으로 의존하며, 기울기 dG/dP ≈ 0.2–0.8 m s⁻¹ K⁻¹ 이며, 이는 수압 조건보다 훨씬 높은 기울기를 보인다.
• 고적재 농도 ~4×10¹² cm⁻² 조건에서도 RIP 산란이 인터페이스 열전도도에 기여하는 비율은 총 열전도도의 2% 미만으로 추정된다.
• 관측된 ΔG 는 인터페이스 강성 증가 또는 근접장 복사 전달 메커니즘과 일치하지 않으며, 이 두 메커니즘은 관측된 열전도도 변화보다 훨씬 작은 변화를 예측한다.
• 가장 타당한 설명은 전기적 압력에 의해 인터페이스 적합성이 향상된 것인데, 이는 탄성 변형 모델이 예측하는 dG/dP ≈ 1.4 m s⁻¹ K⁻¹ 와 일치한다.
• VMTR 기법은 전기장에 의해 유도된 열전도도 변화를 성공적으로 분리하였으며, 그래핀/SiO₂ 시스템에서 RIP 산란 기여도에 대한 신뢰할 수 있는 상한선을 설정하였다.