揭秘石墨烯的热传导秘密：晶界取向的影响

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揭秘石墨烯的热传导秘密：晶界取向的影响（DOI: 10.1021/acs.chemmater.7b03821）

石墨烯自2004年被发现以来，凭借其卓越的机械强度、载流子迁移率、热导率和光学透过率等物理特性，在众多领域备受关注。然而，大面积石墨烯在金属基底上通过化学气相沉积(CVD)合成时，不可避免地会形成多晶结构，其中的晶界(GB)会显著改变其单晶形态的固有性质。本文将深入探讨晶界取向对石墨烯面内热导率的影响，揭示这一领域的最新研究成果。

一、研究背景
石墨烯的多晶结构中，晶界是电荷载流子的主要散射中心，从而降低了其电学输运性能。除了电学性质外，石墨烯的热输运性质也受到了广泛关注。实验测量的石墨烯热导率在室温附近存在较大差异(680-5300 Wm⁻¹ K⁻¹)，而单晶石墨烯的面内热导率理论上不应低于高定向热解石墨的约2000 Wm⁻¹K⁻¹。研究表明，缺陷、样品尺寸、多晶晶粒尺寸和晶粒取向等因素都可能导致石墨烯的热导率低于2000 Wm⁻¹K⁻¹。

二、实验方法
为了研究晶粒取向对石墨烯面内热导率的影响，研究者采用了低气压化学气相沉积(LPCVD)技术，在经过电抛光、退火和氧等离子体处理的单晶Cu(111)基底上合成了具有明确晶粒取向的石墨烯。通过选区电子衍射(SAED)分析和暗场透射电子显微镜(DF-TEM)对单晶、双晶和多晶石墨烯的晶粒取向进行了表征。利用光热拉曼技术测量了悬浮石墨烯的面内热导率，该技术因样品制备相对简单、样品污染少而适用于二维材料的热导率测量。

三、实验结果
实验结果表明，单晶石墨烯的最大热导率为2060Wm⁻¹K⁻¹，而存在缺陷、褶皱和聚合物残留的石墨烯热导率会迅速下降。对于双晶石墨烯，当两个相邻晶粒之间的取向偏差角(misorientation angle)仅略小于4°时，其热导率会显著降低。这种现象通过晶界取向模型成功模拟，表明了晶界处的声子散射对热导率的影响。此外，晶界长度或形状也作为第三因素影响了热导率。

Figure 1.(left)
Figure 1d：展示了悬浮石墨烯的拉曼光谱和拉曼成像图，说明了石墨烯成功转移到多孔硅氮化物基底上，并且展示了单晶(SC-G)、双晶
Figure 1d：提供了石墨烯的2D带强度拉曼成像图，展示了石墨烯在多孔硅氮化物基底上的分布情况，进一步说明了样品的制备和转移过程。
Figure 2.(right)
Figure 2a-d：展示了通过选区电子衍射(SAED)分析得到的单晶(SC-G)、双晶(BC-G)和多晶(PC-G)石墨烯的衍射图案。这些图案清晰地显示了晶粒取向偏差角(misorientation angle)，并说明了双晶石墨烯在小角度偏差(如2.2°和2.3°)时的热导率显著下降。
Figure 2e-h：提供了对应的暗场透射电子显微镜(DF-TEM)图像，进一步确认了石墨烯的晶粒结构和取向偏差角，说明了晶界长度和形状对热导率的影响。

四、理论模型与分析
研究者通过修改后的Klemens模型（基于玻尔兹曼输运方程和弛豫时间近似）对实验数据进行了分析。该模型考虑了晶粒尺寸、晶界处的声子散射等因素。对于双晶石墨烯，随着晶粒取向偏差角的增加，热导率显著下降，这一现象通过动量依赖的镜面反射参数成功模拟。对于多晶石墨烯，由于晶粒尺寸较小，其热导率显著低于单晶和双晶石墨烯，且对晶粒取向偏差角的依赖性较弱。

Figure 3
Figure 3a：展示了单晶石墨烯(SC-G)的热导率测量结果，表明存在缺陷、褶皱和聚合物残留时热导率的下降情况。
Figure 3b：展示了单晶、双晶和多晶石墨烯的热导率随晶粒尺寸的变化，说明了晶粒尺寸对热导率的主要影响，并与Klemens模型进行了对比。
Figure 3c：展示了双晶石墨烯的热导率随晶粒取向偏差角的变化，清晰地说明了小角度偏差(<4°)时热导率的显著下降，并展示了晶界取向模型的拟合结果。
Figure 3d：分析了悬浮石墨烯的晶格应变和掺杂浓度，说明了这些因素对热导率的影响较小，排除了应变和掺杂对热导率变化的干扰。

五、结论
本研究通过实验和理论分析，清晰地揭示了晶粒取向偏差角和晶界长度是决定石墨烯热输运性质的关键因素，除了晶粒尺寸这一主要因素外。这一发现不仅适用于石墨烯，也可能适用于其他二维材料。通过精确控制晶粒取向和晶界特性，有望进一步优化石墨烯的热导率，为石墨烯在热管理等领域的应用提供了新的思路。
  石墨烯的热导率研究一直是材料科学领域的热点话题。本文的研究成果不仅丰富了我们对石墨烯热输运性质的理解，更为未来高性能石墨烯材料的设计和应用提供了重要的理论依据。随着技术的不断进步，相信石墨烯将在更多领域发挥其独特的优势，为科技发展带来新的突破。


                                           （注：本文基于期刊论文内容整理，旨在介绍研究成果，不涉及任何商业用途。）