[论文解读] Thermal Conductivity of Suspended Graphene with Defects

Hoda Malekpour, Pankaj Ramnani+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2016

Thermal properties of materials被引用 103

一句话总结

本研究通过低能电子辐照在悬浮石墨烯中引入受控缺陷，研究其对热导率的影响，揭示在高缺陷密度下的饱和行为，并用玻尔兹曼传输方程与分子动力学模拟进行建模。

ABSTRACT

We investigate the thermal conductivity of suspended graphene as a function of the density of defects, ND, introduced in a controllable way. Graphene layers are synthesized using chemical vapor deposition, transferred onto a transmission electron microscopy grid, and suspended over ~7.5-micrometer size square holes. Defects are induced by irradiation of graphene with the low-energy electron beam (20 keV) and quantified by the Raman D-to-G peak intensity ratio. As the defect density changes from 2.0x10^10 cm-2 to 1.8x10^11 cm-2 the thermal conductivity decreases from ~(1.8+/-0.2)x10^3 W/mK to ~(4.0+/-0.2)x10^2 W/mK near room temperature. At higher defect densities, the thermal conductivity reveals an intriguing saturation behavior at a relatively high value of ~400 W/mK. The thermal conductivity dependence on defect density is analyzed using the Boltzmann transport equation and molecular dynamics simulations. The results are important for understanding phonon - point defect scattering in two-dimensional systems and for practical applications of graphene in thermal management.

研究动机与目标

• 理解缺陷密度 ND 如何在室温下影响悬浮石墨烯的热导率。
• 量化辐照诱导的缺陷与声子输运之间的关系。
• 将实验结果与理论模型和分子动力学模拟进行比较。

提出的方法

• 通过化学气相沉积生长并转移到具有约7.5 µm孔的透射电子显显微网格上的悬浮石墨烯进行制备。
• 使用20 keV低能电子辐照引入缺陷，并通过拉曼D/G强度比进行定量。
• 在室温下测量热导率随缺陷密度的变化。
• 用玻尔兹曼传输方程分析 ND 的依赖性，并用分子动力学模拟进行证实。

实验结果

研究问题

• RQ1 在室温下，缺陷密度 ND 如何影响悬浮石墨烯的热导率？
• RQ2 带缺陷的石墨烯中 ND 与 κ 的函数关系是什么？
• RQ3 玻尔兹曼传输方程分析与分子动力学模拟在二维石墨烯中的声子-缺陷散射效应是否一致？

主要发现

• 热导率从大约 (1.8±0.2)×10^3 W/mK 降低到 (4.0±0.2)×10^2 W/mK，当缺陷密度从 2.0×10^10 cm^-2 增加到 1.8×10^11 cm^-2。
• 在较高缺陷密度下，κ 表现出接近 ~400 W/mK 的饱和现象。
• 结果凸显了二维系统中声子-点缺陷散射的作用，对基于石墨烯的热管理具有意义。
• 发现得到玻尔兹曼传输方程分析和分子动力学模拟的支持。