美英研究人員發現，石墨烯-銅-石墨烯“三明治”結構可顯著提升銅的熱傳導能力，該項研究成果有助于進一步減小電子器件的體積。

此項研究由美國加州大學濱河分校伯恩斯工程學院電氣工程專家巴蘭金和英國曼徹斯特大學物理學教授諾沃肖洛夫領導。兩人在納米快報上以論文的形式共同發表了研究成果。諾沃肖洛夫曾和安德烈·海姆一起因發現石墨烯而榮獲2010年諾貝爾物理學獎。

在實驗中，研究人員發現通過在銅膜的兩側各增加一層石墨烯可將熱傳導性能提升24%，石墨烯是具有令人滿意的電氣、熱和機械性能的單原子層厚材料。

巴蘭金說：“銅-石墨烯混合結構中銅導熱能力的提升對電子器件體積的持續縮小非常重要。”巴蘭金在2013年因發現石墨烯不同尋常的熱傳導能力而獲得美國材料研究學會頒發的MRS獎牌。

銅的導熱能力是否會通過放置在石墨烯中而獲得改善是個重要的問題，因為銅是現代計算機芯片中用于半導體互連的材料。銅因其更好的電導特性而替代鋁。

晶體管尺寸和互連結構的等比例縮小，以及計算機芯片上晶體管數量的增加對銅互連的性能帶來巨大壓力，而且到了幾乎沒有改進性能空間的地步。因此，對可提供更好電氣和熱傳導能力的混合互連結構提出強烈需求。

在巴蘭金和其他研究人員開展的實驗中，他們驚訝于覆有石墨烯的銅膜熱傳導性能的顯著改進，盡管石墨烯僅有一個原子厚。當他們認識到性能的改進是源于銅的微納結構改變而非石墨烯作為額外導熱通道時解開了謎底。

通過檢查增加石墨烯前后銅的晶粒尺寸，研究人員發現石墨烯的化學氣相淀積為銅膜帶來了高溫激勵晶粒尺寸的增長。覆有石墨烯的銅中晶粒尺寸越大，導熱性能越好。

此外，研究人員發現，銅膜越薄，通過增加石墨烯層改進熱傳導性能越明顯。這點很重要，因為導熱性能將在未來隨著銅互連縮小到納米級別時得到進一步提升，納米是微米尺寸的1/1000。

在未來，巴蘭金和其團隊將研究在覆有石墨烯的納米厚銅膜中熱傳導性能是如何變化的。他們還計劃研究出更精確的理論模型，以解釋熱傳導能力和晶粒尺寸間的關系。

除了巴蘭金和諾沃肖洛夫，發表在納米快報上名為《石墨烯-銅-石墨烯異質膜熱性能》論文的共同的作者還有：巴蘭金實驗室的博士后帕杜么納戈利，以及寧浩、李雪松和魯清宇，他們都在位于紐約瓦屏九瀑布市的青石環球科技工作。

加州大學河濱分校在該項目上開展的工作由國家科學基金會和STARnet功能加速納米材料工程（FAME）中心提供支持。STARnet是美國半導體研究聯盟的一個項目，由微電子先期研究聯盟（MARCO）和美國國防先期研究計劃局（DARPA）提供資金支持。

（工業和信息化部電子科學技術情報研究所  張倩）