美國科學家發現，石墨烯(graphene)一旦晶粒尺寸小於300-400 nm，其熱導率約降為純淨(pristine)石墨烯的80%。換言之，以化學氣相沉積法(CVD)等方式成長的多晶(polycrystalline)石墨烯只要晶粒夠大，仍可用於冷卻電腦晶片等散熱應用中。
先前研究顯示懸掛式純淨石墨烯的室溫熱導率高達2000-4000 Wm-1K-1，甚至高過自然界最佳導熱材料─鑽石。使用二氧化矽基板的純淨石墨烯熱導率則為600 Wm-1K-1，仍比電腦晶片中常用來作為散熱片的銅高出50%。然而，大規模成長的石墨烯往往具有許多缺陷，如晶界及線缺陷等。為了探討多晶石墨烯是否仍為優良熱導體，伊利諾伊大學厄巴納香檳分校(UIUC)的Eric Pop與Andrey Serov等人使用非平衡格林函數來研究晶界及線缺陷對石墨烯熱傳輸性質的影響。
該研究團隊發展出一套原子模擬工具，來計算跨越晶界及線缺陷的熱傳輸現象。在他們的方法中，以連接的彈簧模型來描述原子間交互作用，彈力常數則與材料內的原子排列有關。原子的振動會產生聲子(phonon, 量子化的晶格振動)，藉由分析不同能量與極化方向的聲子如何在晶格內傳輸，該團隊得以計算出石墨烯的熱性質。
他們發現並非所有在石墨烯中的缺陷皆有相同貢獻。石墨烯本身為六角晶格結構，晶格缺陷則可能呈五邊形、七邊形和八角形。根據計算結果，線缺陷中的八邊形阻礙熱流最為嚴重(達60%以上)，高過晶界中的五邊形與七邊形。研究結果也顯示，以CVD法在二氧化矽基板上成長的石墨烯如果形成足夠大的晶粒，熱流就不會遭受嚴重阻礙，因此針對石墨烯在晶片冷卻的應用上，研究人員應設法消除尺寸小於300-400 nm的各種缺陷，譬如空洞、邊緣粗糙與波紋等。
該團隊正著手研究聲子以彈道式傳輸的在石墨烯元件中的熱效應，在這種條件下，熱流會受到石墨烯材料邊緣的強烈影響。他們另一個研究方向為石墨烯如何藉由其電子與基板聲子進行交互作用以散熱至周遭環境中，這對瞭解及設計高速電晶體而言相當重要，他們也計畫使用此方法來研究其他二維材料如氮化硼。詳見Appl. Phys. Lett. 102, 033104 (2013)。
原始網站:http://nano.nchc.org.tw/
譯者:翁任賢(成功大學物理研究所)
責任編輯:蔡雅芝