Thermal Transport of AlN/Graphene/3C-SiC Typical Heterostructures with Different Crystallinities of Graphene

石墨烯 材料科学 热导率 异质结 结晶度 微晶 声子 纳米技术 晶界 半导体 光电子学 复合材料 凝聚态物理 微观结构 物理 冶金
作者
Bing Yang,Cheng Peng,Mingru Song,Yangpu Tang,Yongling Wu,Xiaohu Wu,Hongyu Zheng
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (1): 2384-2395 被引量:10
标识
DOI:10.1021/acsami.2c17661
摘要

It is proven that introduction of graphene into typical heterostructures can effectively reduce the high interfacial thermal resistance in semiconductor chips. The crystallinity of graphene varies greatly; thus, we have investigated the effects of single-crystal and polycrystalline graphene on the thermal transport of AlN/graphene/3C-SiC heterostructures by molecular dynamics. The results show that polycrystalline graphene contributes more to the interfacial thermal conductance (ITC) inside the chip with a maximum increase of 75.09%, which is further confirmed by the energy transport and thermal relaxation time. Multiple analyses indicate that grain boundaries lead to the increase in C-Si covalent bonds, and thus, strong interactions improve the ITC. However, covalent bonding further causes local tensile strain and wrinkles in graphene. The former decreases the ITC, and the latter leads to the fluctuation of the van der Waals interaction at the interface. The combined effect of various influential factors results in the increase in the ITC, which are confirmed by phonon transmission with 0-18 THz. In addition, wrinkles and covalent bonding lead to increased stress concentration in polycrystalline graphene. This leads to a maximum reduction of 19.23% in the in-plane thermal conductivity, which is not conducive to the lateral diffusion of hot spots within the chip. The research results would provide important guidance in designing for high thermal transport performance high-power chips.
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