二维石墨烯由于其优越的电学、光学和热学性能，在后摩尔时代成为硅的有力竞争者。然而，当石墨烯与非晶衬底耦合时，其面内导热性会发生强烈的退化。同时，石墨烯与介质衬底之间微弱的范德华相互作用导致界面热阻高。器件散热面临严峻挑战，热点升高，电气性能下降。在这里，应用自组装单层（SAMs）来修饰石墨烯和氧化物衬底之间的界面，并减轻器件中的热问题。−NH₂端接的SAM增强了石墨烯与衬底之间的界面耦合强度，增加了界面导热系数。−CH₃端接的SAM有效地抑制了衬底声子散射，保持了石墨烯的高面内导热性。特别是，−NH₂端接的SAM显著提高了石墨烯场效应晶体管的散热效率，缓解了自热问题。器件的载流容量和最大功率密度分别提高了28.1%和48.2%。研究提供了一个非常有吸引力的平台，用于整合地对空导弹来改善二维电子器件的热管理。
 
 
图1. 不同基底上的单层石墨烯。（a） SiO₂、APTES/SiO₂和ODTS/SiO₂上石墨烯的结构示意图。ODT和APET上的末端官能团分别为−CH₃和−NH₂。（b） 原始SiO₂、APTES/SiO₂和ODTS/SiO₂衬底的AFM图像；比例尺为1μm。（c） （b）中样品表面的高度直方图。（d） 原始SiO2、APTES/SiO₂和ODTS/SiO₂基板的接触角。
 
  
图2. (a) 石墨烯在不同改性层上的热导率测量。（a、b）悬挂式电热测温平台示意图（a）和扫描电镜图像（b）。（c） 原始SiO₂、APTES/SiO₂和ODTS/SiO₂衬底上石墨烯样品的热导率。（d） 不同衬底上石墨烯薄膜的热导率随温度的变化。比较显示了文献中CVD生长石墨烯样品的热导率测量值。
 
 
图3. 石墨烯与不同衬底耦合的TBC测量。（a） 设备热阻分布示意图。（b–d）原始SiO₂（b）、ODT/SiO₂（c）和APTES/SiO₂（d）上的ΔTGr和ΔTSi与P的关系。（e） 石墨烯在不同基底上的TBC。（f） 与其他报道的石墨烯和SiO₂的TBC的比较证明了我们的基底修饰的积极影响。
 
  图4. 石墨烯热性能增强机理的研究。(a)不同改性层石墨烯碳原子的XPS光谱。(b)石墨烯的紫外发射光谱。(c)石墨烯薄膜在APTES/SiO₂、ODTS/SiO₂和SiO₂上的拉曼光谱，石墨烯的特征G峰和2D峰。(d) ODTS（左）和APTES（右）石墨烯器件的散热示意图。
 
 
图5. 各种衬底上G-FET的电学和热学测量。（a） 沟道尺寸为3×6μm²的G-FET器件的高场击穿。（b） 拉曼测温测量装置示意图。（C） 在工作功率为8 mW时，分别在SiO₂（左）、ODTS/SiO₂（中）和APTES/SiO₂（右）上绘制石墨烯沟道温度图。（d和e）分别在APTES/SiO₂、ODTS/SiO₂和SiO₂上的G-FET器件的最大电流密度（d）和功率密度（e）。比例尺为1μm。
 
       相关研究成果由华中科技大学Kai Yang、Guoqing Xin和西安电子科技大学Dongdong Chen课题组2024年发表在ACS Applied Materials & Interfaces (链接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c14463)上。原文：Enhancing Thermal Management of Graphene Devices by Self-Assembled Monolayers

转自《石墨烯研究》公众号