石墨烯具有超過(guò)200,000 cm2/Vs的遷移率和高達(dá)2,000 W / mK的導(dǎo)熱率，因此在傳輸能量方面極為有效。由于這種效率，石墨烯繼續(xù)被眾多微電子和光電應(yīng)用所追求。不管最終使用什么，每種追求的共同點(diǎn)都是實(shí)際需要以實(shí)用的規(guī)模將該二維材料（2D）連接到三維（3D）世界中。例如，可以從多個(gè)供應(yīng)商處以接近晶片尺寸（約2英寸）獲得在銅上使用化學(xué)氣相沉積（CVD）合成的石墨烯。通過(guò)將碳化硅（SiC）從硅（Si）升華而實(shí)現(xiàn)的外延（Epi）石墨烯僅受支撐基板尺寸的限制。

然而，提供規(guī)模的相同合成過(guò)程也會(huì)引起形態(tài)缺陷，從而限制了器件性能。外延和CVD合成均會(huì)導(dǎo)致不均勻?qū)訑?shù)較小的區(qū)域，這會(huì)增加電阻。CVD設(shè)備需要進(jìn)行層轉(zhuǎn)移，這會(huì)引起遷移率降低的皺紋和層間碎屑。同樣，應(yīng)變會(huì)引起皺紋，從而限制了外延器件的移動(dòng)性。在這里，這些形態(tài)的缺陷顯示出驅(qū)動(dòng)石墨烯器件的自熱和最終失效。

圖為裸外延石墨烯器件的拉曼光譜和紅外熱成像

僅從熱阻的角度來(lái)看，外延石墨烯提供了一種最小化自發(fā)熱和最大化功耗的途徑。碳化硅在室溫下的導(dǎo)熱率約為硅的3倍。此外，由于外延石墨烯是直接在SiC的頂部合成的，因此不存在將石墨烯與導(dǎo)熱性更高的襯底分開(kāi)的絕熱介電層。雖然CVD石墨烯向SiC的轉(zhuǎn)移可以利用襯底的高導(dǎo)熱性，但較弱的范德華力鍵合會(huì)導(dǎo)致界面處的熱阻較大

圖為覆蓋外延石墨烯器件的拉曼光譜和紅外熱成像

但是，自加熱并非僅由熱阻決定，而是由產(chǎn)生熱量的區(qū)域決定。局部發(fā)熱的因素會(huì)加劇其影響。在這里，結(jié)合紅外熱成像技術(shù)，比較了由化學(xué)氣相沉積（CVD）和外延手段合成的石墨烯器件的自熱誘發(fā)失效。證明了石墨烯器件中局部發(fā)熱的形態(tài)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(lèi)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，差異是由于合成過(guò)程中的形態(tài)特征所引起的熱局部化而引起的?？偠灾?，結(jié)果表明，石墨烯的形態(tài)而不是系統(tǒng)的熱阻決定了石墨烯可以承受的功率。

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.