六方氮化硼-石墨烯復(fù)合材料的制備及導(dǎo)熱性能研究.pdf

1、在電子設(shè)備中的過多的熱量會(huì)阻礙內(nèi)部過程的運(yùn)行速度，甚至毀壞整個(gè)設(shè)備。為了提高大多數(shù)電子產(chǎn)品的可靠性和防止過早失效，這些電子設(shè)備的使用過程中產(chǎn)生的熱量必須盡快散除。因此，散熱是目前高密度和高功率電子產(chǎn)品中最為關(guān)鍵的問題之一。為了實(shí)現(xiàn)高效散熱，它要求半導(dǎo)體材料或外包裝膜的熱導(dǎo)率很高，然而，典型的材料的熱傳導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于有效散熱的要求。傳統(tǒng)金屬、陶瓷材料導(dǎo)熱系數(shù)不高，從而促使我們尋找具有較高的熱導(dǎo)率的新材料。石墨烯是由碳原子基于sp2雜化組成的

2、六角蜂巢狀結(jié)構(gòu)，僅僅只有一個(gè)原子層的厚度，是世界上第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)可獨(dú)立存在的二維材料，由于其特殊的層狀結(jié)構(gòu)，使其在熱學(xué)等許多方面有著非常優(yōu)異的性能。在室溫條件下，其單層的石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)可以高達(dá)5300W/（m.k）,當(dāng)層數(shù)變?yōu)?-4層的時(shí)候，由于低能聲子和變化的聲子散射平面交叉耦合，其導(dǎo)熱系數(shù)降低為2800 W/（m.k）-1300 W/（m.k），都比傳統(tǒng)材料的導(dǎo)熱系數(shù)要高很多。氮化硼是眾所周知的非氧化性的陶瓷材料，試驗(yàn)中證明了它有著

3、和石墨烯相同的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)熱系數(shù)也高達(dá)600 W/（m.k），相比傳統(tǒng)材料也有著明顯的優(yōu)勢(shì)，利用好石墨烯和六方氮化硼在高導(dǎo)熱這方面的優(yōu)勢(shì)將會(huì)對(duì)改善材料的散熱情況有著重大的意義。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴利用射頻磁控濺射和CVD沉積薄膜技術(shù)，以單晶硅片為襯底研究不同濺射條件下制備的六方氮化硼（h-BN）薄膜和在氮化硼薄膜上生長石墨烯薄膜。并通過AFM、SEM、FTIR、Raman對(duì)薄膜的表面形貌、物相結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，當(dāng)壓強(qiáng)為

4、0.8Pa、功率為120W、氬氮比為40:10時(shí)，氮化硼薄膜表面粗糙度小、結(jié)晶性能好，薄膜生長狀況最佳，且在氮化硼上生長的石墨烯的表面相比于直接在襯底上生長石墨烯的表面更加平整，表面粗糙度較低，晶粒分布均勻，結(jié)晶性能較好，并通過斷面的SEM觀察到生長的石墨烯為均勻多層結(jié)構(gòu)，這樣的薄膜生長特征有助于后期材料熱導(dǎo)的研究。⑵在壓強(qiáng)為0.8Pa、功率為120W、氬氮比為40:10的條件下通過磁控濺射制備的六方氮化硼薄膜中，通過EDS檢測(cè)，B和N

5、原子比例接近1:1，未出現(xiàn)富硼缺氮的情況，減少了雜質(zhì)的生成；然后將薄膜分別生長在AlN襯底、Al2O3襯底、ZrO2襯底上，并通過AFM、SEM、FTIR、Raman對(duì)薄膜的表面形貌、物相結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，利用LFA467激光導(dǎo)熱測(cè)定儀進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定。結(jié)果表明，以硅為襯底生長的六方氮化硼的TEF是1.56％，石墨烯的TEF是3.0%；以AlN為襯底單獨(dú)生長的石墨烯薄膜材料的TEF是11.3%；以ZrO2為襯底生長的六方氮化硼的TEF是1