h—BN和石墨烯薄膜在AlN衬底的导热增强效应

万红兵++任岳

摘 要：通过磁控溅射和化学沉积方法在AlN衬底上分别制备六方氮化硼和石墨烯薄膜，利用Raman、SEM对薄膜物相和形貌进行表征，并使用激光导热测定仪进行导热系数测定。实验结果表明，石墨烯能有效提高基底的导热性能，为石墨烯散热提供有效数据。

关键词：磁控溅射；六方氮化硼薄膜；石墨烯；导热系数

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.07.025

1 引言

石墨烯作为二维材料已经在理论和实验上引起科研工作者的极大兴趣，主要由于其独特的力学、热学性能[1]。在室温下测得单层石墨烯的导热系数为5300 W/（m.K）[2]。它可以作为一种非常有前途的高性能热导材料。

氮化硼作为一种非氧化物陶瓷，它能够以立方BN（c-BN）、锌矿BN（w-BN）、六方BN（h-BN）、菱形BN（r-BN）和斜方BN（o-BN/e-BN）5 种结构存在，其中单层六方氮化硼（h-BN）与石墨烯及其结构共享一个类似的蜂窝晶格结构[3]。具有良好的机械性能、低密度、高硬度的性质[4，5]，并且在室温下测得h-BN热导率高达600W/（m.k）[6]。

由于这些薄膜材料于基底的结合使用和薄膜的层数都会影响材料的导热系数。Ghosh等人[7]发现，当石墨烯薄膜的层数从2层增加到4层的时候，导热系数也从2800W/（m.k）下降到1300 W/（m.K）。Sichel等人[8]发现当六方氮化硼薄膜的层数为11层时，其导热系数下降为360 W/（m.K）。本文中，我们首先在AlN上制备石墨烯和h-BN薄膜，然后通过拉曼光谱仪和扫描电镜测试薄膜的结构和表面形貌，利用激光导热仪测定材料的导热系数，讨论石墨烯和六方氮化硼薄膜对材料导热性能的增强效应。

2 实验

本实验中的六方氮化硼薄膜使用射频磁控溅射方法制备完成的，射频磁控溅射功率为180 W和沉积时间为90分钟。生长石墨烯时使用CVD方法在750℃条件下生长。采用拉曼光谱（Raman， Renishaw inVia ManualWiRE3.4），扫描电子显微镜（SEM，JSM-7800F），分析薄膜的物相及表面特性，然后采用德国耐驰的LFA467激光导热测定仪测定材料的导热系数。

3 结果与分析

3.1 拉曼光谱分析

如图1（a）中所示为h-BN薄膜生长在AlN衬底上典型的h-BN拉曼光谱。根据研究，h-BN的拉曼特征峰在1367cm-1左右，然而，我们试验中测试出的h-BN薄膜的拉曼峰在1374cm-1处，这说明六方氮化硼薄膜的拉曼峰值有一个明显的蓝移[9]。而且实验中在1480cm-1左右还出现一个峰值，可能是由于在溅射过程中粒子轰击使得局部温度过高而生成了其它相的杂质。图1（b）表示石墨烯在AlN衬底上的拉曼光谱。图中石墨烯的三个典型的拉曼峰D，G 和2D分别在1380cm-1， 1578cm-1和2695cm-1左右，由此可以看出多层石墨烯薄膜中存在大量的边缘缺陷[10]。

3.2 SEM分析

图2（a）表示的氮化硼薄膜生长在AlN衬底上的SEM图像，我们可以看出薄膜部分薄膜为结晶状态，并且薄膜晶体表面有断裂面，主要是由于薄膜和衬底之间存在较大的应力造成的。图2（b）表示的石墨烯薄膜生长在AlN衬底上的SEM图像，我们观察到石墨烯薄膜的整个表面是比较平滑的，相互之间的连接较好，说明生长比较完好，薄膜边缘是多层的有褶皱状的，缺陷少。

这些实验证明我们所做的薄膜材料可以在衬底上生长的比较好，有助于我们下一步研究整个材料的导热情况。

3.3 导热系数测定分析

我们分别测量了六方氮化硼和石墨烯薄膜生长在AlN衬底上的导热系数，如图3所示，我们可以看出，当衬底上生长有六方氮化硼薄膜后，材料整体的导热系数为144.6（W/m.k），相比于没有生长薄膜的材料的导热有所下降，这主要是由于六方氮化硼薄膜和衬底之间有较大的应力作用，而且多层的薄膜也会导致材料的导热系数下降。我们还可以看出，当衬底生长石墨烯薄膜后，导热系数为169.8（W/m.k），相比于衬底有所提高，表明石墨烯的导热性能较好，如果可以更好的控制薄膜的生长过程和薄膜材料的生长层数，对导热的改善还会有更大的帮助。

4 结论

总之，在我们制备的h-BN和石墨烯薄膜中。薄膜的生长效果都比较好，而且，石墨烯薄膜还对整个材料的导热性能有很好的改善，这结果有助于我们进一步研究h-BN和石墨烯薄膜作为涂层应用于电子器件表面增强散热的研究。

参考文献：

[1]K.S.Novoselov， A.K.Geim， S.V.Morozov， D.Jiang， Y.Zhang， S.V.Dubonos， I.V.Grigorieva， A.A.Firsov， Science， 306， pp.666-669， （2004）.

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

[3]C.H. Jin， F. Lin， K. Suenaga， S. Iijima， Phys. Rev. Lett， 102， 195505（2009）.

[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）.

[6]S. Gimeno and J.L. Andtijar， Diamond & Related Materials， 5（s 3-5）： 535-538（1996）.

[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） .

作者简介：万红兵（1990-），男，重庆潼南人，硕士，主要从事薄膜材料的研究工作。

*为通讯作者