基於雙雷射拉曼的石墨烯熱輸運性質研究

《基於雙雷射拉曼的石墨烯熱輸運性質研究》是依託中國人民大學，由陳珊珊擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於雙雷射拉曼的石墨烯熱輸運性質研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳珊珊
• 依託單位：中國人民大學

項目摘要

石墨烯作為理想的二維納米材料，呈現諸多優異、獨特的物理化學特性，而成為近年來的研究熱點。由於材料製備的難度和測試條件的限制，相對石墨烯的電學性質，對石墨烯熱輸運性質主要集中於理論推導和分子動力學模擬等，實驗研究發展較慢。本項目採用最先進的化學氣相沉積技術製備同位素石墨烯薄膜，採用非接觸光學測量方法，搭建雙雷射拉曼測量系統對非支撐石墨烯進行熱輸運性質表征。雙雷射系統的一束雷射作為熱源給石墨烯薄膜中心提供穩定的熱流，另一束雷射用於拉曼光譜掃描成像，快速準確獲取速獲得整個薄膜溫度空間分布，研究石墨烯晶界對於熱輸運的散射作用，石墨烯晶向與熱導率的關係，以及同位素邊界對石墨烯熱輸運性質的影響，為石墨烯在晶片製冷和微尺度熱控制領域中的套用提供實驗基礎。

結題摘要

石墨烯作為理想的二維納米材料，呈現諸多優異、獨特的物理化學特性，而成為近年來的研究熱點。由於材料製備和測試條件的限制，相對石墨烯的電學性質，對石墨烯熱輸運性質實驗研究發展較慢。本項目採用化學氣相沉積技術製備大面積、高質量石墨烯薄膜，套用改進的非接觸光學測量方法，對非支撐石墨烯進行熱輸運性質表征。主要研究石墨烯層間耦合力對聲子散射的作用，重點開展單層、AB堆疊雙層，亂層堆疊雙層石墨烯熱輸運的實驗和理論研究。針對化學氣相沉積製備石墨烯的晶界和褶皺等缺陷對石墨烯熱導率的影響，製備單晶單層、雙層石墨烯樣品作為熱輸運研究的材料。利用拉曼雷射作為熱源給懸空石墨烯薄膜中心提供穩定的熱流，同時進行拉曼光譜測量。利用石墨烯拉曼特徵峰隨溫度的線性變化關係獲得所加熱石墨烯的溫度。設計特殊孔洞襯底，獲得懸空石墨烯樣品，並在測量過程中可以引入光功率計實時監測石墨烯的光吸收功率，結合石墨烯的吸收係數獲得石墨烯的吸收熱流，最終算出石墨烯的熱導率。實驗研究發現，在300K~700K測量溫度範圍內，亂層堆疊雙層石墨烯的熱導率均比AB堆疊的雙層石墨烯要低，同時低於單層石墨烯。這個結果表明，聲子作為石墨烯材料的熱載流子，在亂層堆疊雙層石墨烯中的行為與單層石墨烯並不一致。這一點與電子在單層和亂層堆疊雙層石墨烯中輸運特性保持較高一致性有明顯區別。進一步的，通過比較AB堆疊和亂層堆疊石墨烯在各自布里淵區的晶格振動譜，我們發現亂層堆疊石墨烯的晶格振動譜出現了新的聲子模。理論計算認為這些聲子模與兩層石墨烯之間的旋轉角度有著密切的關聯，甚至可以被用來反推層間旋轉角。亂層堆疊雙層石墨烯由於面間晶向旋轉而改變了布里淵區結構，引入更多的聲學支，從而增強了聲子散射，導致熱導率下降。石墨烯的層間耦合也成為一個新的調控材料熱導率的關鍵因素，為石墨烯在晶片製冷和微尺度熱控制領域中的套用提供實驗基礎。