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

Yee Kan Koh, Austin S. Lyons+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2016

Thermal properties of materials被引用 1

一句话总结

本研究提出电压调制热反射率（VMTR）技术，用于测量石墨烯/SiO₂界面在静电场作用下界面热导率的变化。作者发现在电场小于0.2 V nm⁻¹时，热导率最大可增加0.8 MW m⁻² K⁻¹，但表明远场界面声子（RIP）散射对总热传导的贡献不足2%，即使在高载流子浓度（约4×10¹² cm⁻²）下也是如此，表明在无偏置石墨烯/SiO₂体系中RIP散射可忽略不计。

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.

研究动机与目标

• 分离并量化远场界面声子（RIP）散射在石墨烯/SiO₂界面间热传导中的贡献。
• 开发一种能够测量二维材料异质结构中电场依赖性热导率变化的方法。
• 确定RIP散射是否显著增强无偏置石墨烯在SiO₂衬底上的热传导。
• 评估静电压力和界面贴合度在调控热传输中的作用。

提出的方法

• 开发一种新颖的电压调制热反射率（VMTR）技术，用于在施加静电场下测量界面热导率的变化。
• 利用顶栅石墨烯场效应晶体管施加受控静电场（最高低于0.2 V nm⁻¹），同时测量热导率的变化。
• 测量热导率变化（ΔG）与静电压力（ΔP）的关系，后者通过电荷载流子密度计算得出：ΔP = [q²Δ(n–p)²]/(2ε)。
• 将ΔG与静电压力相关联，以区分界面刚化、近场辐射和界面贴合度改善等机制。
• 利用理论模型基于测得的ΔG估算RIP散射贡献的上限。
• 将实验测得的ΔG与近场辐射传热和弹性形变模型的预测值进行比较，以评估主导机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无偏置石墨烯/SiO₂异质结构中，远场界面声子（RIP）散射对界面热导率的贡献是多少？
• RQ2 静电场能否调制石墨烯/SiO₂体系中的界面热导率？如果是，其机制是什么？
• RQ3 与静水压力相比，静电压力如何影响石墨烯/SiO₂界面的热导率？
• RQ4 所观测到的热导率增加是由于界面贴合度增强，还是由于RIP散射提供了额外的热传导通道？
• RQ5 在高载流子浓度下，RIP散射对石墨烯/SiO₂界面热传导的贡献上限是多少？

主要发现

• 在电场低于0.2 V nm⁻¹的条件下，SiO₂/石墨烯/SiO₂界面的热导率最大可增加ΔG ≈ 0.8 MW m⁻² K⁻¹。
• 测得的热导率增加量与静电压力呈线性关系（dG/dP ≈ 0.2–0.8 m s⁻¹ K⁻¹），其斜率显著高于静水压力下的情况。
• 即使在载流子浓度约为~4×10¹² cm⁻²时，RIP散射对界面热导率的贡献也估计不足总热导率的2%。
• 所观测到的ΔG与界面刚化或近场辐射传热机制不一致，因为这两种机制预测的热导率变化远小于实际观测值。
• 最合理的解释是静电压力导致界面贴合度增强，该解释得到理论模型支持，该模型预测弹性形变的dG/dP ≈ 1.4 m s⁻¹ K⁻¹。
• VMTR技术成功分离了电场诱导的热导率变化，并为石墨烯/SiO₂体系中RIP散射贡献建立了可靠的上限。