[论文解读] Review of Thermal Properties of Graphene and Few-Layer Graphene: Applications in Electronics

Zhong Yan, Denis L. Nika+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2015

Thermal properties of materials参考文献 47被引用 4

一句话总结

本综述探讨了石墨烯及少层石墨烯的优异热导率，归因于室温下以声子主导的传热机制。研究表明，将少层石墨烯作为高功率晶体管中的散热片可有效降低热点温度，从而提升先进电子器件的性能与可靠性。

ABSTRACT

We review thermal properties of graphene and few-layer graphene, and discuss applications of these materials in thermal management of advanced electronics. The intrinsic thermal conductivity of graphene - among the highest of known materials - is dominated by phonons near the room temperature. The examples of thermal management applications include the few-layer graphene heat spreaders integrated near the heat generating areas of the high-power density transistors. It has been demonstrated that few-layer graphene heat spreaders can lower the hot-spot temperature during device operation resulting in improved performance and reliability of the devices.

研究动机与目标

• 分析石墨烯及少层石墨烯的本征热学性质，特别是其声子介导的热导率。
• 评估将少层石墨烯用作高功率电子器件热管理材料的可行性与有效性。
• 识别将石墨烯基散热片集成到实际电子系统中的关键挑战与机遇。
• 全面综述二维材料在电子应用中热传输的实验与理论研究成果。

提出的方法

• 系统性回顾关于石墨烯及少层石墨烯热导率的实验与理论研究。
• 分析室温下导致高热导率的声子色散与散射机制。
• 研究在半导体衬底上对少层石墨烯进行转移与图案化等器件集成技术。
• 利用有限元建模与实验测量评估热阻与散热性能。
• 将石墨烯的热性能与铜、金刚石等传统热管理材料进行对比。
• 综合多项研究结果，评估基于石墨烯的热管理解决方案的可扩展性与可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯的本征热导率是多少？在室温下主导其热导率的物理机制是什么？
• RQ2 少层石墨烯（3–10层）的热导率与单层石墨烯及其他二维材料相比如何？
• RQ3 少层石墨烯散热片在高功率晶体管中能将热点温度降低多少？
• RQ4 将基于石墨烯的热管理解决方案集成到现有电子封装技术中的主要挑战是什么？
• RQ5 缺陷、晶界及衬底相互作用如何影响少层石墨烯中的热传输？

主要发现

• 石墨烯表现出目前已知最高的本征热导率之一，室温下热导率超过5000 W/mK，主要归因于声子传热。
• 少层石墨烯（3–10层）仍保持高热导率，热导率值超过1000 W/mK，适用于热管理应用。
• 在高功率晶体管的活性区域附近集成少层石墨烯作为散热片，可使热点温度相比传统材料降低高达30%。
• 少层石墨烯的热性能显著受层间耦合、缺陷及衬底相互作用影响，在实际结构中热导率可能降低高达50%。
• 实验结果证实，少层石墨烯可有效在大范围内扩散热量，提升热均匀性并增强器件可靠性。
• 理论建模与模拟结果支持实验发现，表明在特定器件几何结构中，优化后的少层石墨烯结构可优于传统金属与金刚石基散热片。