英美科學家最近發現，在銅膜表面沉積一層原子厚的石墨烯(graphene)竟能大幅增加其熱導率。研究人員表示，這是因為石墨烯改變了銅的表面形貌，而並非石墨烯本身增加導熱途徑。此結果對熱管理應用而言相當重要，可望使用於積體電路的散熱以及開發石墨烯-銅複合內連線材質。 石墨烯為單原子厚的平面碳材料，具有蜂巢狀晶格結構。此材料在2004年問世後，便以獨特的電子和機械性質吸引了產學界的注意。石墨烯具有非常高的熱導率，在室溫下達2000 Wm–1K–1 ，超越原本最佳的熱導體－鑽石。置於基板上的石墨烯雖然熱導率會下降，但依舊維持相當高的數值。 此研究是由曼徹斯特大學(University of Manchester)的Konstantin Novoselov及加州大學河濱分校(UC-Riverside)的Alexander Balandin指導的團隊所完成。他們使用化學氣相沉積法成長石墨烯於銅膜上，並探討此複合異質膜的熱性質。為求進一步瞭解散熱機制，該團隊研究了熱傳導資料與光學和掃描式電子顯微鏡結果的關聯性。 由於石墨烯僅有單原子厚，研究人員起初並未預期此石墨烯-銅異質薄膜的整體熱導率能大幅增加。在比較成長石墨烯於銅膜前後的影響發現，石墨烯的沉積會造成銅晶粒尺寸的成長。雖然相同溫度的熱處理一樣能增加晶粒尺寸，但幅度不及沉積石墨烯的效果，而晶粒尺寸愈大會導致愈高的熱導率。 銅的熱導率約為400 Wm–1K–1，常使用於半導體產業中作為內連線材料，石墨烯的覆蓋則大大提升此內連線的散熱效果。一般矽基積體電路都有散熱問題，而隨著元件尺寸不斷縮減，散熱問題更為棘手。 此研究團隊目前僅探討披覆石墨烯對於相對厚銅箔的效應，下一步計畫研究沉積石墨烯對奈米級厚度銅膜的影響。他們目前已提出一套能解釋熱導率隨銅晶粒成長而增加的簡單理論模型，現在則發展更為精確的理論，以期能預測較薄石墨烯-銅複合膜的結果。詳見近期的Nano Letters｜DOI: 10.1021/nl404719n。 |