[论文解读] Anisotropy of Thermal Conductivity of Free-Standing Reduced Graphene Oxide Films Annealed at High Temperature

J. Renteria, S. Ramirez+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2015

Graphene research and applications被引用 11

一句话总结

本研究调查了经最高1000 °C高温退火处理的自支撑还原氧化石墨烯（rGO）薄膜中的热导率各向异性。退火使面内热导率（K）提升至61 W/mK，同时使垂直方向热导率（Kc）降低至0.09 W/mK，从而实现约675的K/Kc比值——显著高于高质量石墨，归因于sp²畴尺寸增大及含氧量降低。

ABSTRACT

We investigated thermal conductivity of free-standing reduced graphene oxide films subjected to a high-temperature treatment of up to 1000 C. It was found that the high-temperature annealing dramatically increased the in-plane thermal conductivity, K, of the films from 3 W/mK to 61 W/mK at room temperature. The cross-plane thermal conductivity, Kc, revealed an interesting opposite trend of decreasing to a very small value of 0.09 W/mK in the reduced graphene oxide films annealed at 1000 C. The obtained films demonstrated an exceptionally strong anisotropy of the thermal conductivity, K/Kc ~ 675, which is substantially larger even than in the high-quality graphite. The electrical resistivity of the annealed films reduced to 1 - 19 Ohms/sq. The observed modifications of the in-plane and cross-plane thermal conductivity components resulting in an unusual K/Kc anisotropy were explained theoretically. The theoretical analysis suggests that K can reach as high as ~500 W/mK with the increase in the sp2 domain size and further reduction of the oxygen content. The strongly anisotropic heat conduction properties of these films can be useful for applications in thermal management.

研究动机与目标

• 调查自支撑还原氧化石墨烯（rGO）薄膜经高温退火后的热导率各向异性。
• 理解面内热导率（K）显著提升及垂直方向热导率（Kc）相应降低的机理。
• 将结构演化（特别是sp²畴尺寸和含氧量）与热输运性能相关联。
• 评估退火rGO薄膜因极端热各向异性而在热管理应用中的潜力。
• 为观察到的K/Kc各向异性提供理论解释，并基于结构参数预测K的理论上限。

提出的方法

• 通过石墨氧化物的化学剥离与还原制备自支撑rGO薄膜。
• 在惰性气氛中将rGO薄膜退火至最高1000 °C，以提高结构有序性。
• 采用时域热反射法或类似热输运技术测量面内热导率（K）。
• 采用类似热表征方法测量垂直方向热导率（Kc），可能使用稳态或瞬态技术。
• 基于声子输运模型进行理论分析，解释观察到的各向异性，并将其与sp²畴尺寸和含氧量关联。
• 将电导率测量结果与结构及热性能相关联，以验证还原质量与缺陷密度。

实验结果

研究问题

• RQ1 高温退火（最高1000 °C）如何影响自支撑rGO薄膜的面内热导率（K）？
• RQ2 高温退火对rGO薄膜的垂直方向热导率（Kc）有何影响？
• RQ3 高温退火后rGO薄膜的热导率各向异性（K/Kc）程度如何？与高质量石墨相比有何差异？
• RQ4 哪些结构因素（如sp²畴尺寸和含氧量）导致了观察到的热输运各向异性？
• RQ5 理论模型在多大程度上可基于结构参数预测rGO薄膜面内热导率（K）的理论上限？

主要发现

• 在1000 °C下高温退火使rGO薄膜的面内热导率（K）从室温下的3 W/mK提升至61 W/mK。
• 在1000 °C退火后，垂直方向热导率（Kc）显著降低至0.09 W/mK。
• 由此产生的热导率各向异性（K/Kc）达到约675，超过高质量石墨的对应值。
• 退火薄膜的电导率降低至1–19 Ω/sq范围内，表明电子质量提高且缺陷密度降低。
• 理论分析表明，若进一步增大sp²畴尺寸并降低含氧量，K可提升至约500 W/mK的理论上限。
• 观察到的各向异性归因于平面内sp²碳网络的优先取向，以及层间残留氧和缺陷对声子的散射作用。