山東理工大學(xué)楊兵等 ICHMT：離子轟擊誘導(dǎo)缺陷提高3C-SiC/石墨烯/w-AlN異質(zhì)界面熱導(dǎo)

研究背景：

隨著GaN芯片的尺寸不斷縮小、功率密度持續(xù)提升，芯片內(nèi)部的熱流密度顯著增加，異質(zhì)界面處的熱阻往往成為限制散熱效率的主要瓶頸。在GaN芯片中，SiC常作為高導(dǎo)熱襯底，石墨烯和AlN作為GaN的緩沖層，形成了SiC/石墨烯/AlN/GaN的典型芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)。已有研究表明，在石墨烯中引入納米尺度缺陷可以有效調(diào)控界面熱輸運(yùn)性能。但現(xiàn)有工作主要存在兩方面不足：一是由于尺寸限制，實(shí)驗(yàn)難以直接揭示缺陷調(diào)控界面熱導(dǎo)的微觀機(jī)制，需要仿真輔助；二是當(dāng)前仿真中的納米級(jí)缺陷多為人為添加，不能反映真實(shí)缺陷狀態(tài)。針對上述問題，本文采用分子動(dòng)力學(xué)方法，模擬離子轟擊過程，在石墨烯中引入更接近真實(shí)狀態(tài)的缺陷結(jié)構(gòu)，并系統(tǒng)分析了其對SiC/石墨烯/AlN異質(zhì)界面熱導(dǎo)的影響機(jī)制。

在本研究中，首先構(gòu)建了3C-SiC/石墨烯/w-AlN三層異質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。隨后，通過分子動(dòng)力學(xué)方法模擬離子轟擊石墨烯過程。采用碳原子作為入射粒子，通過調(diào)節(jié)入射能量和劑量，實(shí)現(xiàn)對石墨烯缺陷結(jié)構(gòu)的可控調(diào)控。在缺陷結(jié)構(gòu)構(gòu)建完成后，采用瞬態(tài)泵浦法計(jì)算了界面熱導(dǎo)。最后系統(tǒng)分析不同轟擊能量和劑量條件下石墨烯缺陷形貌的演化規(guī)律，并結(jié)合聲子態(tài)密度及聲子透射特性，探討了缺陷對界面熱輸運(yùn)的調(diào)控機(jī)制。

目前，該文以“The enhancement of interfacial thermal conductance of 3C-SiC/graphene/w-AlN heterointerface by ion bombardment-induced defects”為題在《International Communications in Heat and Mass Transfer》上發(fā)表。文章第一作者為山東理工大學(xué)研究生高騰，通訊作者為山東理工大學(xué)楊兵老師。

研究結(jié)論：

本文研究結(jié)論可以概括為以下幾點(diǎn)：1. 離子轟擊后，石墨烯主要形成以空位缺陷為主的數(shù)量型缺陷，并伴隨局域拓?fù)渲貥?gòu)，且拓?fù)淙毕荻喾植加诳瘴蝗毕葜車Ｈ毕蓦S轟擊能量演化具有明顯的階段性特征：在低能區(qū)以吸附缺陷為主，中能區(qū)吸附缺陷與單空位缺陷共存，高能區(qū)以單空位缺陷為主。當(dāng)轟擊劑量較低時(shí)，轟擊劑量主要影響缺陷密度，當(dāng)轟擊劑量過高時(shí)，石墨烯會(huì)出現(xiàn)局部非晶或形成較大的孔洞。2. 離子轟擊引入的石墨烯缺陷可以顯著提高界面熱導(dǎo)。轟擊能量為200 eV，劑量為1×101?/cm2時(shí)，界面熱導(dǎo)相比無缺陷情況提高約一倍。界面熱導(dǎo)的變化并非單調(diào)依賴缺陷密度，而是與缺陷結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。單空位缺陷在界面熱導(dǎo)調(diào)控中存在邊際效應(yīng)遞減的特性，單空位缺陷與多空位缺陷對熱導(dǎo)的協(xié)同調(diào)控作用強(qiáng)于單一的單空位缺陷的累積效應(yīng)。3. 離子轟擊誘導(dǎo)的缺陷改變了石墨烯的局部結(jié)構(gòu)特征，影響了界面接觸狀態(tài)，增強(qiáng)了石墨烯與SiC在低頻范圍（0–8 THz）的聲子態(tài)密度重疊，同時(shí)提高了在0–15 THz范圍內(nèi)的聲子透射系數(shù)，最終顯著提升了界面熱導(dǎo)。

研究數(shù)據(jù)：

圖1 (a) GaN高電子遷移率晶體管示意圖；(b) 3C-SiC/石墨烯/w-AlN異質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

圖2 (a) 離子轟擊石墨烯模擬示意圖；轟擊后石墨烯(b)退火前和(c)退火后的局部結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 石墨烯結(jié)構(gòu)缺陷及構(gòu)型的示意圖，黑色球表示本征碳原子，橙色球表示吸附原子。(a) 單鍵吸附表面結(jié)構(gòu)；(b) 雙鍵吸附結(jié)構(gòu)（含兩個(gè)七元環(huán)）；(c) Stone-Wales (SW) 缺陷；(d) 替位摻雜；(e, f) 不同結(jié)構(gòu)類型的單空位缺陷；(g) 多空位缺陷及其周圍拓?fù)淙毕荩?h) 空位缺陷重疊形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)

圖4 在轟擊能量為5–300 eV時(shí)，(a) 各類缺陷的比例、(b) 凈原子損失、凈原子增益及摻雜原子數(shù)量隨時(shí)間的變化。

圖5 3C-SiC/缺陷石墨烯/AlN異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面熱導(dǎo)隨轟擊劑量的變化

圖6 (a) 界面熱導(dǎo)和最大孔洞面積隨轟擊劑量的演化；(b) 不同轟擊劑量下子界面間的相互作用能

圖7 SiC/石墨烯/AlN界面聲子態(tài)密度計(jì)算結(jié)果。(a) 聲子態(tài)密度計(jì)算區(qū)域示意圖；(b) 轟擊劑量為0時(shí)界面三種材料的聲子態(tài)密度；不同轟擊劑量下(c)石墨烯、(d) SiC和(e) AlN的聲子態(tài)密度；(f) 不同轟擊劑量下0–8 THz（石墨烯）和0–15 THz（SiC）頻率范圍內(nèi)聲子態(tài)密度的積分結(jié)果。

圖8 不同轟擊劑量下SiC/石墨烯/AlN界面聲子透射隨頻率的變化

期刊：International Communications in Heat and Mass Transfer

題目:The enhancement of interfacial thermal conductance of 3C-SiC/graphene/w-AlN heterointerface by ion bombardment-induced defects

作者：Teng Gao, Bing Yang, Yunqing Tang, Xiaohu Wu

DOI：10.1016/j.icheatmasstransfer.2026.111112

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