六方氮化硼-石墨烯复合材料的制备及导热性能研究

摘要

在电子设备中的过多的热量会阻碍内部过程的运行速度，甚至毁坏整个设备。为了提高大多数电子产品的可靠性和防止过早失效，这些电子设备的使用过程中产生的热量必须尽快散除。因此，散热是目前高密度和高功率电子产品中最为关键的问题之一。为了实现高效散热，它要求半导体材料或外包装膜的热导率很高，然而，典型的材料的热传导率远远低于有效散热的要求。传统金属、陶瓷材料导热系数不高，从而促使我们寻找具有较高的热导率的新材料。石墨烯是由碳原子基于sp2杂化组成的六角蜂巢状结构，仅仅只有一个原子层的厚度，是世界上第一个被发现可独立存在的二维材料，由于其特殊的层状结构，使其在热学等许多方面有着非常优异的性能。在室温条件下，其单层的石墨烯的导热系数可以高达5300W/（m.k）,当层数变为2-4层的时候，由于低能声子和变化的声子散射平面交叉耦合，其导热系数降低为2800 W/（m.k）-1300 W/（m.k），都比传统材料的导热系数要高很多。氮化硼是众所周知的非氧化性的陶瓷材料，试验中证明了它有着和石墨烯相同的结构，导热系数也高达600 W/（m.k），相比传统材料也有着明显的优势，利用好石墨烯和六方氮化硼在高导热这方面的优势将会对改善材料的散热情况有着重大的意义。
　　本研究主要内容包括：⑴利用射频磁控溅射和CVD沉积薄膜技术，以单晶硅片为衬底研究不同溅射条件下制备的六方氮化硼（h-BN）薄膜和在氮化硼薄膜上生长石墨烯薄膜。并通过AFM、SEM、FTIR、Raman对薄膜的表面形貌、物相结构进行了分析。结果表明，当压强为0.8Pa、功率为120W、氩氮比为40:10时，氮化硼薄膜表面粗糙度小、结晶性能好，薄膜生长状况最佳，且在氮化硼上生长的石墨烯的表面相比于直接在衬底上生长石墨烯的表面更加平整，表面粗糙度较低，晶粒分布均匀，结晶性能较好，并通过断面的SEM观察到生长的石墨烯为均匀多层结构，这样的薄膜生长特征有助于后期材料热导的研究。⑵在压强为0.8Pa、功率为120W、氩氮比为40:10的条件下通过磁控溅射制备的六方氮化硼薄膜中，通过EDS检测，B和N原子比例接近1:1，未出现富硼缺氮的情况，减少了杂质的生成；然后将薄膜分别生长在AlN衬底、Al2O3衬底、ZrO2衬底上，并通过AFM、SEM、FTIR、Raman对薄膜的表面形貌、物相结构进行了分析，利用LFA467激光导热测定仪进行导热系数测定。结果表明，以硅为衬底生长的六方氮化硼的TEF是1.56％，石墨烯的TEF是3.0%；以AlN为衬底单独生长的石墨烯薄膜材料的TEF是11.3%；以ZrO2为衬底生长的六方氮化硼的TEF是10%，生长的石墨烯的TEF是6.7%，六方氮化硼/石墨烯薄膜的TEF是6.7%。这样宏观上制备的薄膜都对整体材料的导热系数有所提升，对以后材料的热导研究提供有效的依据。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1石墨烯简介

1.1.1石墨烯研究背景

1.1.2石墨烯的结构和性质

1.1.3石墨烯的制备

1.2 六方氮化硼（h-BN）简介

1.2.1六方氮化硼（h-BN）研究背景

1.2.2六方氮化硼（h-BN）的结构和性质

1.2.3氮化硼的制备

1.3 本论文主要研究内容

2 h-BN、石墨烯及复合材料的制备及其表征

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1实验设备

2.2.2磁控溅射法制备六方氮化硼薄膜

2.2.3气相沉积（CVD）法制备石墨烯薄膜

2.2.4仪器与表征方法

2.3结果与讨论

2.3.1 原子力显微镜（AFM）表征

2.3.2扫描电子显微镜（SEM）表征

2.3.3红外光谱（FTIR）表征

2.3.4拉曼光谱（Raman）表征

2.4本章小结

3 h-BN、石墨烯及其复合材料在不同衬底上的制备及散热测试研究

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1实验设备

3.2.2 磁控溅射法在氮化铝（AlN）衬底上制备六方氮化硼薄膜

3.2.3 磁控溅射法在三氧化二铝（Al2O3）衬底上制备六方氮化硼薄膜

3.2.4 磁控溅射法在氧化锆（ZrO2）衬底上制备六方氮化硼薄膜

3.2.5 气相沉积（CVD）制备石墨烯以及制备六方氮化硼和石墨烯复合薄膜

3.2.6仪器与表征方法

3.3结果与讨论

3.3.1 原子力显微镜（AFM）表征

3.3.2 扫描电镜（SEM）表征

3.3.3红外光谱（FTIR）表征

3.3.4拉曼光谱（Raman）表征

3.3.5导热性能研究

3.4本章小结

4 结论

参考文献

附录：作者攻读硕士学位期间发表论文及科研情况

致谢

声明