基于双激光拉曼的石墨烯热输运性质研究

Graphene as an ideal two-dimensional nano material, has attracted widespread interest for both its novel physical and chemical properties. Although electronic transport in graphene has been studied extensively, there have been only limited experimental data in the literature on thermal transport in graphene due to the big challenges in sample preparation as well as measurement technique. In this project, we proposed an approach based on a Dual-laser Raman system, using noncontact optical method to study the thermal transport of graphene synthesized by chemical vapor depositon (CVD). One of the laser worked as a heat source to supply stable heat flux onto the suspended graphene film. Another laser was applied for Raman mapping, to aquisive the spatial distribution of temperature of the circular graphene film. With this novel tecnique, the influence of grain boundaries, defects, grain orientation and isotope boundary on the thermal transport of graphene could be studied.

石墨烯作为理想的二维纳米材料，呈现诸多优异、独特的物理化学特性，而成为近年来的研究热点。由于材料制备的难度和测试条件的限制，相对石墨烯的电学性质，对石墨烯热输运性质主要集中于理论推导和分子动力学模拟等，实验研究发展较慢。本项目采用最先进的化学气相沉积技术制备同位素石墨烯薄膜，采用非接触光学测量方法，搭建双激光拉曼测量系统对非支撑石墨烯进行热输运性质表征。双激光系统的一束激光作为热源给石墨烯薄膜中心提供稳定的热流，另一束激光用于拉曼光谱扫描成像，快速准确获取速获得整个薄膜温度空间分布，研究石墨烯晶界对于热输运的散射作用，石墨烯晶向与热导率的关系，以及同位素边界对石墨烯热输运性质的影响，为石墨烯在芯片制冷和微尺度热控制领域中的应用提供实验基础。

石墨烯作为理想的二维纳米材料，呈现诸多优异、独特的物理化学特性，而成为近年来的研究热点。由于材料制备和测试条件的限制，相对石墨烯的电学性质，对石墨烯热输运性质实验研究发展较慢。本项目采用化学气相沉积技术制备大面积、高质量石墨烯薄膜，应用改进的非接触光学测量方法，对非支撑石墨烯进行热输运性质表征。主要研究石墨烯层间耦合力对声子散射的作用，重点开展单层、AB堆叠双层，乱层堆叠双层石墨烯热输运的实验和理论研究。针对化学气相沉积制备石墨烯的晶界和褶皱等缺陷对石墨烯热导率的影响，制备单晶单层、双层石墨烯样品作为热输运研究的材料。利用拉曼激光作为热源给悬空石墨烯薄膜中心提供稳定的热流，同时进行拉曼光谱测量。利用石墨烯拉曼特征峰随温度的线性变化关系获得所加热石墨烯的温度。设计特殊孔洞衬底，获得悬空石墨烯样品，并在测量过程中可以引入光功率计实时监测石墨烯的光吸收功率，结合石墨烯的吸收系数获得石墨烯的吸收热流，最终算出石墨烯的热导率。实验研究发现，在300K~700K测量温度范围内，乱层堆叠双层石墨烯的热导率均比AB堆叠的双层石墨烯要低，同时低于单层石墨烯。这个结果表明，声子作为石墨烯材料的热载流子，在乱层堆叠双层石墨烯中的行为与单层石墨烯并不一致。这一点与电子在单层和乱层堆叠双层石墨烯中输运特性保持较高一致性有明显区别。进一步的，通过比较AB堆叠和乱层堆叠石墨烯在各自布里渊区的晶格振动谱，我们发现乱层堆叠石墨烯的晶格振动谱出现了新的声子模。理论计算认为这些声子模与两层石墨烯之间的旋转角度有着密切的关联，甚至可以被用来反推层间旋转角。乱层堆叠双层石墨烯由于面间晶向旋转而改变了布里渊区结构，引入更多的声学支，从而增强了声子散射，导致热导率下降。石墨烯的层间耦合也成为一个新的调控材料热导率的关键因素，为石墨烯在芯片制冷和微尺度热控制领域中的应用提供实验基础。