[论文解读] Extremely High Thermal Conductivity of Graphene: Experimental Study

Alexander A. Balandin, Subrata Ghosh+5 more|ArXiv.org|Feb 11, 2008

Graphene research and applications参考文献 3被引用 30

一句话总结

本实验研究采用非接触式光学技术测量了悬浮单层石墨烯的热导率，发现在接近室温时其值在4,840至5,300 W/mK之间——这是迄今为止记录到的任何材料中最高的值之一。结果表明石墨烯具有卓越的导热能力，优于碳纳米管，凸显其在纳米电子器件热管理中的应用潜力。

ABSTRACT

We report on the first measurement of the thermal conductivity of a suspended single layer graphene. The measurements were performed using a non-contact optical technique. The near room-temperature values of the thermal conductivity in the range ~ 4840 to 5300 W/mK were extracted for a single-layer graphene. The extremely high value of the thermal conductivity suggests that graphene can outperform carbon nanotubes in heat conduction.

研究动机与目标

• 实验测量悬浮单层石墨烯的热导率，该材料理论上具有非凡的热学性能。
• 通过直接实验验证，解决长期以来关于石墨烯热输运特性的理论预测。
• 将石墨烯的热性能与碳纳米管（热管理领域的基准材料）进行比较。
• 建立一种可靠实验方法，用于测量石墨烯等二维材料的热导率。
• 量化在环境条件下悬浮石墨烯的本征热输运性能。

提出的方法

• 采用非接触式光学技术测量悬浮石墨烯膜中的热输运。
• 该方法通过激光束局部加热，并利用拉曼光谱监测由此产生的温升。
• 通过分析石墨烯片上温度分布的时空演化，提取热导率。
• 测量在悬浮石墨烯样品上进行，以最大限度减少基底和环境的热干扰。
• 实验装置实现了无物理接触的精确热导率测定，降低了测量误差。
• 数据分析基于将观测到的热响应与二维膜中热扩散的理论模型进行拟合。

实验结果

研究问题

• RQ1 在接近室温下，悬浮单层石墨烯的本征热导率是多少？
• RQ2 在相似条件下，石墨烯的热导率与碳纳米管相比如何？
• RQ3 非接触式光学方法能否准确测量石墨烯等二维材料中的热输运？
• RQ4 基底缺失和散射中心的消除在多大程度上提升了石墨烯的热导率？
• RQ5 单原子厚碳层可实现的热导率上限是多少？

主要发现

• 在接近室温下，悬浮单层石墨烯的热导率测量值为4,840至5,300 W/mK。
• 该数值是迄今为止测得的任何材料中最高的之一，显著高于体相石墨和碳纳米管的值。
• 高热导率归因于悬浮石墨烯膜中高的声子平均自由程和低缺陷密度。
• 非接触式光学技术成功实现了对样品无干扰的精确热导率测量。
• 结果证实了理论预测：由于其二维结构和强共价键合，石墨烯表现出卓越的热输运性能。
• 石墨烯的热导率优于碳纳米管，表明其在热管理应用中具有更优的潜力。