美英联合研究发现铜涂覆石墨烯后可显著提升热传导能力

美英研究人员发现，石墨烯-铜-石墨烯“三明治”结构可显著提升铜的热传导能力，该项研究成果有助于进一步减小电子器件的体积。

此项研究由美国加州大学滨河分校伯恩斯工程学院电气工程专家巴兰金和英国曼彻斯特大学物理学教授诺沃肖洛夫领导。两人在纳米快报上以论文的形式共同发表了研究成果。诺沃肖洛夫曾和安德烈·海姆一起因发现石墨烯而荣获2010年诺贝尔物理学奖。

在实验中，研究人员发现通过在铜膜的两侧各增加一层石墨烯可将热传导性能提升24%，石墨烯是具有令人满意的电气、热和机械性能的单原子层厚材料。

巴兰金说：“铜-石墨烯混合结构中铜导热能力的提升对电子器件体积的持续缩小非常重要。”巴兰金在2013年因发现石墨烯不同寻常的热传导能力而获得美国材料研究学会颁发的MRS奖牌。

铜的导热能力是否会通过放置在石墨烯中而获得改善是个重要的问题，因为铜是现代计算机芯片中用于半导体互连的材料。铜因其更好的电导特性而替代铝。

晶体管尺寸和互连结构的等比例缩小，以及计算机芯片上晶体管数量的增加对铜互连的性能带来巨大压力，而且到了几乎没有改进性能空间的地步。因此，对可提供更好电气和热传导能力的混合互连结构提出强烈需求。

在巴兰金和其他研究人员开展的实验中，他们惊讶于覆有石墨烯的铜膜热传导性能的显著改进，尽管石墨烯仅有一个原子厚。当他们认识到性能的改进是源于铜的微纳结构改变而非石墨烯作为额外导热通道时解开了谜底。

通过检查增加石墨烯前后铜的晶粒尺寸，研究人员发现石墨烯的化学气相淀积为铜膜带来了高温激励晶粒尺寸的增长。覆有石墨烯的铜中晶粒尺寸越大，导热性能越好。

此外，研究人员发现，铜膜越薄，通过增加石墨烯层改进热传导性能越明显。这点很重要，因为导热性能将在未来随着铜互连缩小到纳米级别时得到进一步提升，纳米是微米尺寸的1/1000。

在未来，巴兰金和其团队将研究在覆有石墨烯的纳米厚铜膜中热传导性能是如何变化的。他们还计划研究出更精确的理论模型，以解释热传导能力和晶粒尺寸间的关系。

除了巴兰金和诺沃肖洛夫，发表在纳米快报上名为《石墨烯-铜-石墨烯异质膜热性能》论文的共同的作者还有：巴兰金实验室的博士后帕杜么纳戈利，以及宁浩、李雪松和鲁清宇，他们都在位于纽约瓦屏九瀑布市的青石环球科技工作。

加州大学河滨分校在该项目上开展的工作由国家科学基金会和STARnet功能加速纳米材料工程（FAME）中心提供支持。STARnet是美国半导体研究联盟的一个项目，由微电子先期研究联盟（MARCO）和美国国防先期研究计划局（DARPA）提供资金支持。

（工业和信息化部电子科学技术情报研究所  张倩）