h—BN和石墨烯薄膜在AlN襯底的導(dǎo)熱增強(qiáng)效應(yīng)

萬紅兵++任岳

摘 要：通過磁控濺射和化學(xué)沉積方法在AlN襯底上分別制備六方氮化硼和石墨烯薄膜，利用Raman、SEM對(duì)薄膜物相和形貌進(jìn)行表征，并使用激光導(dǎo)熱測(cè)定儀進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，石墨烯能有效提高基底的導(dǎo)熱性能，為石墨烯散熱提供有效數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：磁控濺射；六方氮化硼薄膜；石墨烯；導(dǎo)熱系數(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.07.025

1 引言

石墨烯作為二維材料已經(jīng)在理論和實(shí)驗(yàn)上引起科研工作者的極大興趣，主要由于其獨(dú)特的力學(xué)、熱學(xué)性能[1]。在室溫下測(cè)得單層石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)為5300 W/（m.K）[2]。它可以作為一種非常有前途的高性能熱導(dǎo)材料。

氮化硼作為一種非氧化物陶瓷，它能夠以立方BN（c-BN）、鋅礦BN（w-BN）、六方BN（h-BN）、菱形BN（r-BN）和斜方BN（o-BN/e-BN）5 種結(jié)構(gòu)存在，其中單層六方氮化硼（h-BN）與石墨烯及其結(jié)構(gòu)共享一個(gè)類似的蜂窩晶格結(jié)構(gòu)[3]。具有良好的機(jī)械性能、低密度、高硬度的性質(zhì)[4，5]，并且在室溫下測(cè)得h-BN熱導(dǎo)率高達(dá)600W/（m.k）[6]。

由于這些薄膜材料于基底的結(jié)合使用和薄膜的層數(shù)都會(huì)影響材料的導(dǎo)熱系數(shù)。Ghosh等人[7]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石墨烯薄膜的層數(shù)從2層增加到4層的時(shí)候，導(dǎo)熱系數(shù)也從2800W/（m.k）下降到1300 W/（m.K）。Sichel等人[8]發(fā)現(xiàn)當(dāng)六方氮化硼薄膜的層數(shù)為11層時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)下降為360 W/（m.K）。本文中，我們首先在AlN上制備石墨烯和h-BN薄膜，然后通過拉曼光譜儀和掃描電鏡測(cè)試薄膜的結(jié)構(gòu)和表面形貌，利用激光導(dǎo)熱儀測(cè)定材料的導(dǎo)熱系數(shù)，討論石墨烯和六方氮化硼薄膜對(duì)材料導(dǎo)熱性能的增強(qiáng)效應(yīng)。

2 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)中的六方氮化硼薄膜使用射頻磁控濺射方法制備完成的，射頻磁控濺射功率為180 W和沉積時(shí)間為90分鐘。生長(zhǎng)石墨烯時(shí)使用CVD方法在750℃條件下生長(zhǎng)。采用拉曼光譜（Raman， Renishaw inVia ManualWiRE3.4），掃描電子顯微鏡（SEM，JSM-7800F），分析薄膜的物相及表面特性，然后采用德國(guó)耐馳的LFA467激光導(dǎo)熱測(cè)定儀測(cè)定材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 拉曼光譜分析

如圖1（a）中所示為h-BN薄膜生長(zhǎng)在AlN襯底上典型的h-BN拉曼光譜。根據(jù)研究，h-BN的拉曼特征峰在1367cm-1左右，然而，我們?cè)囼?yàn)中測(cè)試出的h-BN薄膜的拉曼峰在1374cm-1處，這說明六方氮化硼薄膜的拉曼峰值有一個(gè)明顯的藍(lán)移[9]。而且實(shí)驗(yàn)中在1480cm-1左右還出現(xiàn)一個(gè)峰值，可能是由于在濺射過程中粒子轟擊使得局部溫度過高而生成了其它相的雜質(zhì)。圖1（b）表示石墨烯在AlN襯底上的拉曼光譜。圖中石墨烯的三個(gè)典型的拉曼峰D，G 和2D分別在1380cm-1， 1578cm-1和2695cm-1左右，由此可以看出多層石墨烯薄膜中存在大量的邊緣缺陷[10]。

3.2 SEM分析

圖2（a）表示的氮化硼薄膜生長(zhǎng)在AlN襯底上的SEM圖像，我們可以看出薄膜部分薄膜為結(jié)晶狀態(tài)，并且薄膜晶體表面有斷裂面，主要是由于薄膜和襯底之間存在較大的應(yīng)力造成的。圖2（b）表示的石墨烯薄膜生長(zhǎng)在AlN襯底上的SEM圖像，我們觀察到石墨烯薄膜的整個(gè)表面是比較平滑的，相互之間的連接較好，說明生長(zhǎng)比較完好，薄膜邊緣是多層的有褶皺狀的，缺陷少。

這些實(shí)驗(yàn)證明我們所做的薄膜材料可以在襯底上生長(zhǎng)的比較好，有助于我們下一步研究整個(gè)材料的導(dǎo)熱情況。

3.3 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定分析

我們分別測(cè)量了六方氮化硼和石墨烯薄膜生長(zhǎng)在AlN襯底上的導(dǎo)熱系數(shù)，如圖3所示，我們可以看出，當(dāng)襯底上生長(zhǎng)有六方氮化硼薄膜后，材料整體的導(dǎo)熱系數(shù)為144.6（W/m.k），相比于沒有生長(zhǎng)薄膜的材料的導(dǎo)熱有所下降，這主要是由于六方氮化硼薄膜和襯底之間有較大的應(yīng)力作用，而且多層的薄膜也會(huì)導(dǎo)致材料的導(dǎo)熱系數(shù)下降。我們還可以看出，當(dāng)襯底生長(zhǎng)石墨烯薄膜后，導(dǎo)熱系數(shù)為169.8（W/m.k），相比于襯底有所提高，表明石墨烯的導(dǎo)熱性能較好，如果可以更好的控制薄膜的生長(zhǎng)過程和薄膜材料的生長(zhǎng)層數(shù)，對(duì)導(dǎo)熱的改善還會(huì)有更大的幫助。

4 結(jié)論

總之，在我們制備的h-BN和石墨烯薄膜中。薄膜的生長(zhǎng)效果都比較好，而且，石墨烯薄膜還對(duì)整個(gè)材料的導(dǎo)熱性能有很好的改善，這結(jié)果有助于我們進(jìn)一步研究h-BN和石墨烯薄膜作為涂層應(yīng)用于電子器件表面增強(qiáng)散熱的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]K.S.Novoselov， A.K.Geim， S.V.Morozov， D.Jiang， Y.Zhang， S.V.Dubonos， I.V.Grigorieva， A.A.Firsov， Science， 306， pp.666-669， （2004）.

[2]S. Ghosh and I. Calizo， Applied Physics Letters， 92（15）： 151911，（2008）.

[3]C.H. Jin， F. Lin， K. Suenaga， S. Iijima， Phys. Rev. Lett， 102， 195505（2009）.

[4]Zunger，A.， Katzir，A.， Halperin，A.， Phys Rev. B， 13（Copyright（C）2010 The American Physical Society）， 12， 5560-5573（1976）.

[5]Gust，W.H. and Young，D.A.， Phys Rev B， 15（Copyright（C）2010 The American Physical Society）， 5012 （1977）.

[6]S. Gimeno and J.L. Andtijar， Diamond & Related Materials， 5（s 3-5）： 535-538（1996）.

[7]Suchismita Ghosh， Wenzhong Bao， Denis L. Nika， Samia Subrina， Evghenii P. Pokatilov， Chun Ning Lau， Alexander A. Balandin ， Nature Materials， 9， 555-558 （2010） .

[8]E.K. Sichel， R.E. Miller， M.S. Abrahams， C.J. Buiocchi.， Phys. Rev. B， 13， 4607 （1976） .

[9]B. Zhong， X.D. Zhang， X.X. Huang， G.W. Wen， Materials Letters， 151， 130-133 （2015） .

[10]Wu YH， YangBJ， Zong BY， Sun H， Shen ZX， Feng YP， Mater Chem， 14：469-77（2004） .

作者簡(jiǎn)介：萬紅兵（1990-），男，重慶潼南人，碩士，主要從事薄膜材料的研究工作。

*為通訊作者