美英研究人員發(fā)現(xiàn),石墨烯-銅-石墨烯“三明治”結(jié)構(gòu)可顯著提升銅的熱傳導(dǎo)能力,該項(xiàng)研究成果有助于進(jìn)一步減小電子器件的體積。
此項(xiàng)研究由美國加州大學(xué)濱河分校伯恩斯工程學(xué)院電氣工程專家巴蘭金和英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)教授諾沃肖洛夫領(lǐng)導(dǎo)。兩人在納米快報(bào)上以論文的形式共同發(fā)表了研究成果。諾沃肖洛夫曾和安德烈·海姆一起因發(fā)現(xiàn)石墨烯而榮獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
在實(shí)驗(yàn)中,研究人員發(fā)現(xiàn)通過在銅膜的兩側(cè)各增加一層石墨烯可將熱傳導(dǎo)性能提升24%,石墨烯是具有令人滿意的電氣、熱和機(jī)械性能的單原子層厚材料。
巴蘭金說:“銅-石墨烯混合結(jié)構(gòu)中銅導(dǎo)熱能力的提升對電子器件體積的持續(xù)縮小非常重要。”巴蘭金在2013年因發(fā)現(xiàn)石墨烯不同尋常的熱傳導(dǎo)能力而獲得美國材料研究學(xué)會(huì)頒發(fā)的MRS獎(jiǎng)牌。
銅的導(dǎo)熱能力是否會(huì)通過放置在石墨烯中而獲得改善是個(gè)重要的問題,因?yàn)殂~是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)芯片中用于半導(dǎo)體互連的材料。銅因其更好的電導(dǎo)特性而替代鋁。
晶體管尺寸和互連結(jié)構(gòu)的等比例縮小,以及計(jì)算機(jī)芯片上晶體管數(shù)量的增加對銅互連的性能帶來巨大壓力,而且到了幾乎沒有改進(jìn)性能空間的地步。因此,對可提供更好電氣和熱傳導(dǎo)能力的混合互連結(jié)構(gòu)提出強(qiáng)烈需求。
在巴蘭金和其他研究人員開展的實(shí)驗(yàn)中,他們驚訝于覆有石墨烯的銅膜熱傳導(dǎo)性能的顯著改進(jìn),盡管石墨烯僅有一個(gè)原子厚。當(dāng)他們認(rèn)識(shí)到性能的改進(jìn)是源于銅的微納結(jié)構(gòu)改變而非石墨烯作為額外導(dǎo)熱通道時(shí)解開了謎底。
通過檢查增加石墨烯前后銅的晶粒尺寸,研究人員發(fā)現(xiàn)石墨烯的化學(xué)氣相淀積為銅膜帶來了高溫激勵(lì)晶粒尺寸的增長。覆有石墨烯的銅中晶粒尺寸越大,導(dǎo)熱性能越好。
此外,研究人員發(fā)現(xiàn),銅膜越薄,通過增加石墨烯層改進(jìn)熱傳導(dǎo)性能越明顯。這點(diǎn)很重要,因?yàn)閷?dǎo)熱性能將在未來隨著銅互連縮小到納米級別時(shí)得到進(jìn)一步提升,納米是微米尺寸的1/1000。
在未來,巴蘭金和其團(tuán)隊(duì)將研究在覆有石墨烯的納米厚銅膜中熱傳導(dǎo)性能是如何變化的。他們還計(jì)劃研究出更精確的理論模型,以解釋熱傳導(dǎo)能力和晶粒尺寸間的關(guān)系。
除了巴蘭金和諾沃肖洛夫,發(fā)表在納米快報(bào)上名為《石墨烯-銅-石墨烯異質(zhì)膜熱性能》論文的共同的作者還有:巴蘭金實(shí)驗(yàn)室的博士后帕杜么納戈利,以及寧浩、李雪松和魯清宇,他們都在位于紐約瓦屏九瀑布市的青石環(huán)球科技工作。
加州大學(xué)河濱分校在該項(xiàng)目上開展的工作由國家科學(xué)基金會(huì)和STARnet功能加速納米材料工程(FAME)中心提供支持。STARnet是美國半導(dǎo)體研究聯(lián)盟的一個(gè)項(xiàng)目,由微電子先期研究聯(lián)盟(MARCO)和美國國防先期研究計(jì)劃局(DARPA)提供資金支持。
(工業(yè)和信息化部電子科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所 張倩)