由MRS Spring 2009觀察熱管理材料與奈米金屬之技術發展近況

 

刊登日期:2009/5/20
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今年由Materials Research Society所舉辦的2009 Materials Research Society Spring Meeting,與往年一樣在美國舊金山Moscone West Convention Center舉辦,會議日期從4月13日至4月17日。此次的2009 MRS Spring Meeting包含了42種的相關材料技術討論、9個專業領域課程及超過100個攤位的展示場。

2009 MRS Spring Meeting中熱管理材料相關技術發展
此次2009 MRS Spring Meeting會議內容豐富,其中議題T(symposium T: Nanoscale Heat Transport  - From Fundamentals to Devices),涵蓋了奈米材料在熱傳導領域中的技術發展,而此議題便是此次參與MRS Spring的主要重點議題,此議題包含了Biological and Nanofluids, Organic Materials and Polymers, Interfaces and Superlattices, Interfaces and Thin Films, Nanoscale Thermal Transport, Thermoelectric Materials, Electrons and Phonons, Low-Dimensional Systems Low Conductivity Materials, Oxides, and Disorder等9個探討主題,以下將就此次在MRS Spring中得到有關熱管理材料相關及目前部門研究領域的論文發表作一簡述。


3. Thermal Conductivity of Graphene
此篇研究主要在於以實驗方法得到單層奈米石墨片(single layer graphene)的熱導值,在此篇研究之前對於單層奈米石墨片的熱導值都是經由理論計算而得到,而此研究是以實際實驗結果而得到熱導值。

在傳統量測熱導值的方法中,如3w或laser flash等方法,皆不適合於量測single layer grapheme (SLG),因單層奈米石墨片只有一層原子的厚度,在此厚度下並無法提供一有效的溫度差去計算熱導,而此篇研究是以confocal micro-Raman spectroscopy去進行量測。

由於單層奈米石墨片在拉曼光譜上有明顯的吸收,且其光譜中的G peak對於溫度有靈敏的反應,所以藉由改變雷射的激發強度,觀察G peak變化便可得知其溫度變化情形,進而計算得到熱導值,一般說來,拉曼光譜並不適合量測高熱導的結晶性材料,因為熱會很快的經由其三維結構而逸散,但幸運的,單層奈米石墨片厚度只有約0.35 ±0.01 nm,因此熱只會在平面上傳遞。

經由機械剝離法(mechanical cleavage)而得單層奈米石墨片如圖六(a)所示,圖六(b)為拉曼光譜圖,Stokes G peak位於1583 cm-1,symmetric 2D peak則在2700 cm -1左右。

作者在Si/SiO2基板上,藉由離子蝕刻方式在上面做出一道溝槽,溝槽深度為300 nm,寬度為2~5 mm,再將單層奈米石墨片橫跨於溝槽上,構想圖如圖七(a),實際溝槽如圖七(b)所示,其寬度為3mm,再將寬約5mm單層奈米石墨片(SLG)及寬約1mm的多層奈米石墨片(FLG)橫跨於溝槽之上,圖七(b)為OM圖,圖七(c)為SEM圖。

實驗操作圖描述於圖八,量測儀器為confocal micro-Raman spectroscopy,雷射光光束聚焦於奈米石墨片中間,光束大小為0.5 ~ 1.0 mm,雷射光波長選用488 nm,短波長325 nm在UV波段內,雖有利於加熱但不能有效提供拉曼光譜,長波長633 nm,雖可有效激發奈米石墨片得到拉曼光譜,但無法有效加熱,所以並不適用。

在拉曼光譜中,G peak的位子會隨著溫度變化呈線性關係: w = wo + cGT,而計算熱傳導值(K)的式子如式一,dP為加熱能量差、dw為拉曼G peak波長差、W為奈米石墨片寬度、h為奈米石墨片厚度、L為奈米石墨片中心點至heat sink (為graphitic layer)的距離。


圖八 Schematic of the experiment showing the excitation laser light focused on a graphene layer suspended across a trench. The focused laser light creates a local hot spot and generates a heat wave inside SLG propagating toward heat sinks.

     (1)

當提高加熱能量於奈米石墨片上,會使得其拉曼G peak產生紅位移,如圖九(a)所示,在不同加熱能量下,會使得G peak產生不同的位移,圖九(b)為兩者的實驗關係圖,對這些實驗數據進行線性迴歸,可得到此直線的斜率w/dPD ~ -1.29 cm-1/mW,而奈米石墨片G peak的溫度係數G,在作者先前的研究中已經求得cG = -1.6×10-2 cm-1/K,再將已知的L、h及W等數值帶入式(1)中,便可計算得到奈米石墨片的熱導值K 為(4.84 ±0.44)×103 ~ (5.30 ±0.48)×103 W/mK,表一為graphene與CNT的熱導比較表。

此篇研究為首先以實際實驗方法計算得到奈米石墨片的熱導值,高達(5.30 ±0.48)×103 W/mK,此熱導值高於CNT先前研究所得的熱導值許多,證實奈米石墨片有優越的熱導值,可做為優秀的……《本文節錄自材料世界網「材料最前線」專欄,詳細全文請見下方附檔》

★作者:林振隆 / 工研院材化所


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