h—BN和石墨烯薄膜在AlN襯底的導熱增強效應

萬紅兵++任岳

摘 要：通過磁控濺射和化學沉積方法在AlN襯底上分別制備六方氮化硼和石墨烯薄膜，利用Raman、SEM對薄膜物相和形貌進行表征，并使用激光導熱測定儀進行導熱系數測定。實驗結果表明，石墨烯能有效提高基底的導熱性能，為石墨烯散熱提供有效數據。

關鍵詞：磁控濺射；六方氮化硼薄膜；石墨烯；導熱系數

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在理論和實驗上引起科研工作者的極大興趣，主要由于其獨特的力學、熱學性能[1]。在室溫下測得單層石墨烯的導熱系數為5300 W/（m.K）[2]。它可以作為一種非常有前途的高性能熱導材料。

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 種結構存在，其中單層六方氮化硼（h-BN）與石墨烯及其結構共享一個類似的蜂窩晶格結構[3]。具有良好的機械性能、低密度、高硬度的性質[4，5]，并且在室溫下測得h-BN熱導率高達600W/（m.k）[6]。

由于這些薄膜材料于基底的結合使用和薄膜的層數都會影響材料的導熱系數。Ghosh等人[7]發現，當石墨烯薄膜的層數從2層增加到4層的時候，導熱系數也從2800W/（m.k）下降到1300 W/（m.K）。Sichel等人[8]發現當六方氮化硼薄膜的層數為11層時，其導熱系數下降為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試薄膜的結構和表面形貌，利用激光導熱儀測定材料的導熱系數，討論石墨烯和六方氮化硼薄膜對材料導熱性能的增強效應。

2 實驗

本實驗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和沉積時間為90分鐘。生長石墨烯時使用CVD方法在750℃條件下生長。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，然后采用德國耐馳的LFA467激光導熱測定儀測定材料的導熱系數。

3 結果與分析

3.1 拉曼光譜分析

如圖1（a）中所示為h-BN薄膜生長在AlN襯底上典型的h-BN拉曼光譜。根據研究，h-BN的拉曼特征峰在1367cm-1左右，然而，我們試驗中測試出的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明顯的藍移[9]。而且實驗中在1480cm-1左右還出現一個峰值，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。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在AlN襯底上的SEM圖像，我們可以看出薄膜部分薄膜為結晶狀態，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力造成的。圖2（b）表示的石墨烯薄膜生長在AlN襯底上的SEM圖像，我們觀察到石墨烯薄膜的整個表面是比較平滑的，相互之間的連接較好，說明生長比較完好，薄膜邊緣是多層的有褶皺狀的，缺陷少。

這些實驗證明我們所做的薄膜材料可以在襯底上生長的比較好，有助于我們下一步研究整個材料的導熱情況。

3.3 導熱系數測定分析

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

4 結論

總之，在我們制備的h-BN和石墨烯薄膜中。薄膜的生長效果都比較好，而且，石墨烯薄膜還對整個材料的導熱性能有很好的改善，這結果有助于我們進一步研究h-BN和石墨烯薄膜作為涂層應用于電子器件表面增強散熱的研究。

參考文獻：

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

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[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）.

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[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