Measurement and Analysis of Hydrodynamic Phonon Transport in Suspended Graphene

Abstract

현대 전자 제품의 소형화 및 고밀도화로 인해 열 관리는 핫스팟의 방열을 해결하는 데 필수적이다. 2차원 소재 중 그래핀은 초고열전도율로 인해 열관리 나노 소재의 가능성을 보여주고 있다. 그래핀을 전자 소자에 적용하기 위해서는 마이크로 및 나노 스케일의 포논 메커니즘에 대한 이해가 필요하다. 최근 이론적 연구에 따르면 2D 재료에서 유체역학적 포논 수송은 장파장 ZA 포논 모드의 큰 상태 밀도, 큰 비조화도 그리고 높은 드바이 온도로 인해 벌크 재료보다 더 넓은 온도 범위와 더 높은 온도에서 발생한다. 특히 그래핀은 탄소 원자의 질량이 상대적으로 가볍고 결합력이 강하기 때문에 훨씬 넓고 높은 온도에서 발생한다. 이전의 이론적 연구에서는 그래핀에서 유체역학적 포논 수송이 150K 이상에서도 일어난다고 보고했지만, 아직 실험적으로 보고된 바는 없다. 유체역학적 수송 현상 중 하나인 포논 푸아즈유 흐름을 (Phonon Poiseuille flow) 조사하기 위해 열교법을 (Thermal bridge method) 사용하여 동위원소 농도가 낮은 (<0.1%) 부유 단층 그래핀의 폭 의존 열전도도를 측정했다. 우리는 처음으로 포논 푸아즈유 흐름에서만 나타나는 부유 그래핀의 열전도율의 독특한 폭과 온도 의존성을 관찰했다. 우리는 또한 50K 미만의 유체역학적 포논 수송의 증거 중 하나인 누센 최소치의 (Knudsen minimum) 경향을 관찰했다. 또한 플라즈마 노출 시간의 함수로 G, 2D, D, D' 피크의 Raman 강도를 조사했고 산화 그래핀의 결함 유형과 열전도도의 저하를 관찰했다.|With miniaturization and high densification in modern electronics, thermal management is essential to solve the heat dissipation on hot spots. Among 2D materials graphene shows potential in thermal management nano-materials due to its ultra-high thermal conductivity. To apply graphene in electronic devices, understanding the phonon mechanism on micro- and nano scales is necessary. Recent theoretical research has revealed that, in 2D materials, hydrodynamic phonon transport occurs in a wider temperature range and at higher temperature than those of bulk materials due to high Debye temperature, large anharmonicity, and large density of states of the long-wavelength ZA phonon mode. In particular, in graphene, the hydrodynamic phonon transport occurs at much wider and higher temperature due to the relatively light mass of carbon atom and strong bonding strength. Previous theoretical studies reported that hydrodynamic phonon transport in graphene occurs even above 150 K. However, experiments have not been reported yet. To investigate the phonon Poiseuille flow, one of the phenomena involved in hydrodynamic transport, we measured the width dependent thermal conductivity of suspended monolayer graphene, which has a low isotope concentration (<0.1%), using the thermal bridge method. We observed, for the first time, the peculiar width and temperature dependence of thermal conductivity of suspended graphene that only appears in the phonon Poiseuille flow. We also observed the trends of the Knudsen minimum, which is evidence of the hydrodynamic phonon transport below 50 K. Additionally, we investigated the Raman intensities of G, 2D, D, and D’ peaks as a function of the plasma exposure time and we observed the defect type of graphene oxide and degradation of the thermal conductance.