[论文解读] 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 4

一句话总结

本文综述了石墨烯及多层石墨烯中的热输运特性，重点介绍了基于光热技术的实验测量与声子输运的理论建模。该研究对理论预测与实验数据进行了全面比较，确立了石墨烯具有极高的热导率，并识别出真实材料中限制其热导率的关键因素，如缺陷和晶界。

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.

研究动机与目标

• 综述当前对单层和多层石墨烯中热输运的理解。
• 展示并验证用于测量悬浮石墨烯样品热导率的光热技术。
• 将石墨烯中声子输运的理论模型与实验数据进行比较。
• 识别限制真实石墨烯材料中热导率的主导散射机制。
• 对理论预测与实验测量之间差异进行批判性评估。

提出的方法

• 采用光热技术，通过局部激光加热并利用拉曼光谱监测温升，测量悬浮石墨烯和多层石墨烯样品的热导率。
• 声子输运的理论建模基于包含声子-声子、声子-缺陷和声子-边界散射机制的玻尔兹曼输运方程（BTE）。
• 理论预测通过连续弹性理论和晶格动力学计算推导，以描述声子色散关系和群速度。
• 研究结合了解析解与数值模拟，建立热导率随温度、层数和缺陷浓度变化的模型。
• 实验数据来自具有可控几何结构的悬浮石墨烯器件，在真空条件下测量以最小化环境热损失。
• 在一系列温度和层数范围内，对理论曲线与实验结果进行对比分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 悬浮单层和少层石墨烯的本征热导率是多少？
• RQ2 石墨烯中热导率的实验测量结果与基于声子输运模型的理论预测相比如何？
• RQ3 缺陷和晶界在降低真实石墨烯样品热导率方面起什么作用？
• RQ4 在多层系统中，热导率如何随石墨烯层数变化？
• RQ5 不同理论方法（如包含各种散射机制的BTE）在多大程度上能准确描述实验观测结果？

主要发现

• 在室温下，单层石墨烯的热导率约为3000–5000 W/mK，具体数值取决于样品质量和测量方法。
• 多层石墨烯的热导率随层数增加而提高，但在约10层时趋于饱和，热导率可达近6000 W/mK。
• 实验数据存在显著离散性，主要受样品相关因素（如基底相互作用、缺陷和应变）影响，导致热导率低于理论极限。
• 包含声子-杂质散射和边界散射的理论模型可解释真实样品中观测到的热导率降低现象。
• 光热技术可在悬浮石墨烯中实现亚微米空间分辨率和高灵敏度的热导率精确测量。
• 理论与实验之间差异的主要原因在于理想化模型未能充分捕捉未受控的缺陷和层间耦合效应。