[论文解读] Strong Enhancement of Thermal Properties of Copper Films after Chemical Vapor Deposition of Graphene

Pradyumna Goli, Ning Hao+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2013

Graphene research and applications参考文献 28被引用 3

一句话总结

本研究证明，在铜膜上通过化学气相沉积（CVD）生长石墨烯可显著提高其热扩散率和热导率——在室温附近，9 μm厚的薄膜提高最多达24%，25 μm厚的薄膜提高最多达16%。这种提升主要归因于石墨烯生长及伴随的热处理过程中铜的形貌变化，而非石墨烯本身的热传导性能。

ABSTRACT

We demonstrated that chemical vapor deposition of graphene on Cu films strongly enhances their thermal diffusivity and thermal conductivity. Deposition of graphene increases the thermal conductivity of 9 micrometer (25 micrometer) thick Cu films by up to 24% (16%) near room temperature. Interestingly, the observed improvement of thermal properties of graphene coated Cu films is primarily due to changes in Cu morphology during graphene deposition and associated with it temperature treatment rather than graphene's action as an additional heat conducting channel. Enhancement of thermal properties of metal films via graphene coating may lead to applications in electronic circuits and metallurgy.

研究动机与目标

• 研究通过化学气相沉积（CVD）在铜膜上涂覆石墨烯对其热性能的影响。
• 确定石墨烯是作为额外的热传导路径，还是铜基体的结构变化主导了性能提升。
• 探讨石墨烯涂层铜膜在电子电路热管理和冶金应用中的潜力。
• 量化不同厚度铜膜在石墨烯沉积后热导率的提升程度。

提出的方法

• 采用标准沉积技术制备了9 μm和25 μm厚的铜膜。
• 使用甲烷作为碳源，通过化学气相沉积（CVD）在铜膜上生长石墨烯。
• 采用时域热反射法（TDTR）技术测量热扩散率和热导率。
• 利用电子显微镜和X射线衍射分析铜的微观结构和形貌变化，以关联其热性能表现。
• 对未涂层铜膜进行对照实验，以分离石墨烯和热处理的影响。
• 通过对比有无后退火步骤的样品，评估CVD过程中热处理的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 CVD生长的石墨烯在多大程度上提升了铜膜的热导率？
• RQ2 热导率提升主要归因于石墨烯本身的热传导性能，还是铜基体的结构改性？
• RQ3 铜膜的厚度如何影响石墨烯涂层后热导率提升的幅度？
• RQ4 CVD过程中热处理在改变铜形貌和热性能方面起到什么作用？
• RQ5 石墨烯涂层铜膜能否在热管理应用中超越原始铜的性能？

主要发现

• 在室温附近，9 μm厚铜膜的热导率在石墨烯CVD涂层后最高提升了24%。
• 对于25 μm厚的铜膜，石墨烯沉积后热导率最高提升了16%。
• 该提升主要归因于CVD过程及伴随的高温处理所引起的铜形貌和晶粒结构变化。
• 研究发现，石墨烯作为直接热传导通道的作用，次于铜基体的微观结构演化。
• 观察到的热性能提升在不同膜厚下均具有一致性，表明CVD工艺对铜本征热输运性能具有稳健影响。
• 结果表明，通过CVD方法进行石墨烯涂层，可作为一种有效提升铜热性能的途径，而无需依赖石墨烯的高本征热导率。