石(shi)(shi)墨烯具有超(chao)過(guo)200,000 cm2/Vs的(de)遷移率(lv)和高達(da)2,000 W / mK的(de)導熱率(lv)，因此在(zai)傳(chuan)輸(shu)能量方面極為有效(xiao)。由于這種效(xiao)率(lv)，石(shi)(shi)墨烯繼續被(bei)眾多微電子和光電應用所追(zhui)求。不管最終(zhong)使用什么，每(mei)種追(zhui)求的(de)共同(tong)點都是(shi)實際需要以(yi)實用的(de)規模將該二(er)維(wei)材(cai)料（2D）連接到三維(wei)（3D）世界中。例(li)如(ru)，可以(yi)從(cong)多個供應商處以(yi)接近晶片尺(chi)寸(cun)（約2英寸(cun)）獲(huo)得在(zai)銅(tong)上使用化學氣相沉(chen)積（CVD）合成的(de)石(shi)(shi)墨烯。通過(guo)將碳化硅（SiC）從(cong)硅（Si）升華(hua)而(er)實現(xian)的(de)外延（Epi）石(shi)(shi)墨烯僅受支撐基(ji)板(ban)尺(chi)寸(cun)的(de)限(xian)制。

然(ran)而(er)，提(ti)供(gong)規模(mo)的(de)相(xiang)同(tong)合(he)成(cheng)過程也(ye)會引起形(xing)態缺陷(xian)，從而(er)限(xian)制了(le)器(qi)件(jian)性能。外延和CVD合(he)成(cheng)均會導致不均勻層數較小的(de)區域，這(zhe)會增加電阻。CVD設(she)備需要進(jin)行層轉移(yi)，這(zhe)會引起遷移(yi)率(lv)降低的(de)皺(zhou)紋和層間(jian)碎屑。同(tong)樣，應變(bian)會引起皺(zhou)紋，從而(er)限(xian)制了(le)外延器(qi)件(jian)的(de)移(yi)動性。在這(zhe)里，這(zhe)些(xie)形(xing)態的(de)缺陷(xian)顯示出驅(qu)動石墨烯(xi)器(qi)件(jian)的(de)自(zi)熱和最終失(shi)效。

圖為裸外(wai)延石(shi)墨烯(xi)器(qi)件的拉(la)曼光譜和紅外(wai)熱成像

僅從熱(re)阻(zu)的(de)(de)(de)角度來看，外(wai)(wai)延(yan)石(shi)(shi)墨烯(xi)(xi)提(ti)供了一種(zhong)最(zui)小(xiao)化自發熱(re)和最(zui)大(da)化功耗(hao)的(de)(de)(de)途(tu)徑。碳化硅在(zai)室溫下的(de)(de)(de)導熱(re)率(lv)約為硅的(de)(de)(de)3倍。此(ci)外(wai)(wai)，由于(yu)外(wai)(wai)延(yan)石(shi)(shi)墨烯(xi)(xi)是直接在(zai)SiC的(de)(de)(de)頂(ding)部合成的(de)(de)(de)，因此(ci)不存在(zai)將(jiang)石(shi)(shi)墨烯(xi)(xi)與導熱(re)性更高的(de)(de)(de)襯底分開的(de)(de)(de)絕熱(re)介電(dian)層。雖然CVD石(shi)(shi)墨烯(xi)(xi)向(xiang)SiC的(de)(de)(de)轉移可(ke)以(yi)利(li)用襯底的(de)(de)(de)高導熱(re)性，但較弱的(de)(de)(de)范德華力鍵合會導致界(jie)面處的(de)(de)(de)熱(re)阻(zu)較大(da)

圖為覆蓋外延(yan)石墨烯器件(jian)的拉曼光譜和紅外熱成像(xiang)

但是，自加熱并非僅由熱阻決定，而是由產生熱量的區域決定。局部發熱的因素會加劇其影響。在這里，結合紅外熱成像技術，比較了由化學氣相沉積（CVD）和外延手段合成的石墨烯器件的自熱誘發失效。證明了石墨烯器件中局部發熱的形態缺陷最終決定了其功率處理能力。具體而言，在SiC器件上外延石墨烯的擊穿功率顯示為<3倍，而在類似襯底上由CVD石墨烯制成的可比較器件。紅外熱成像獲得的溫度分布表明，差異是(shi)由(you)于(yu)合成過程中的形態特征所引起的熱局部化而引起的。總而言(yan)之，結果表明，石墨(mo)烯的形態而不是(shi)系統的熱阻決(jue)定(ding)了石墨(mo)烯可(ke)以承受的功(gong)率。

參考資料：

Thomas E. Beechem, Ryan A. Sha?er, John Nogan, et al. Self-Heating and Failure in Scalable Graphene Devices. Scientific Reports. 6:26457, 2016.