山東理工大學楊兵等 ICHMT：離子轟擊誘導缺陷提高3C-SiC/石墨烯/w-AlN異質界面熱導

研究背景：

隨著GaN芯片的尺寸不斷縮小、功率密度持續提升，芯片內部的熱流密度顯著增加，異質界面處的熱阻往往成為限制散熱效率的主要瓶頸。在GaN芯片中，SiC常作為高導熱襯底，石墨烯和AlN作為GaN的緩沖層，形成了SiC/石墨烯/AlN/GaN的典型芯片內部結構。已有研究表明，在石墨烯中引入納米尺度缺陷可以有效調控界面熱輸運性能。但現有工作主要存在兩方面不足：一是由于尺寸限制，實驗難以直接揭示缺陷調控界面熱導的微觀機制，需要仿真輔助；二是當前仿真中的納米級缺陷多為人為添加，不能反映真實缺陷狀態。針對上述問題，本文采用分子動力學方法，模擬離子轟擊過程，在石墨烯中引入更接近真實狀態的缺陷結構，并系統分析了其對SiC/石墨烯/AlN異質界面熱導的影響機制。

在本研究中，首先構建了3C-SiC/石墨烯/w-AlN三層異質結構模型。隨后，通過分子動力學方法模擬離子轟擊石墨烯過程。采用碳原子作為入射粒子，通過調節入射能量和劑量，實現對石墨烯缺陷結構的可控調控。在缺陷結構構建完成后，采用瞬態泵浦法計算了界面熱導。最后系統分析不同轟擊能量和劑量條件下石墨烯缺陷形貌的演化規律，并結合聲子態密度及聲子透射特性，探討了缺陷對界面熱輸運的調控機制。

目前，該文以“The enhancement of interfacial thermal conductance of 3C-SiC/graphene/w-AlN heterointerface by ion bombardment-induced defects”為題在《International Communications in Heat and Mass Transfer》上發表。文章第一作者為山東理工大學研究生高騰，通訊作者為山東理工大學楊兵老師。

研究結論：

本文研究結論可以概括為以下幾點：1. 離子轟擊后，石墨烯主要形成以空位缺陷為主的數量型缺陷，并伴隨局域拓撲重構，且拓撲缺陷多分布于空位缺陷周圍。缺陷隨轟擊能量演化具有明顯的階段性特征：在低能區以吸附缺陷為主，中能區吸附缺陷與單空位缺陷共存，高能區以單空位缺陷為主。當轟擊劑量較低時，轟擊劑量主要影響缺陷密度，當轟擊劑量過高時，石墨烯會出現局部非晶或形成較大的孔洞。2. 離子轟擊引入的石墨烯缺陷可以顯著提高界面熱導。轟擊能量為200 eV，劑量為1×101?/cm2時，界面熱導相比無缺陷情況提高約一倍。界面熱導的變化并非單調依賴缺陷密度，而是與缺陷結構特征密切相關。單空位缺陷在界面熱導調控中存在邊際效應遞減的特性，單空位缺陷與多空位缺陷對熱導的協同調控作用強于單一的單空位缺陷的累積效應。3. 離子轟擊誘導的缺陷改變了石墨烯的局部結構特征，影響了界面接觸狀態，增強了石墨烯與SiC在低頻范圍（0–8 THz）的聲子態密度重疊，同時提高了在0–15 THz范圍內的聲子透射系數，最終顯著提升了界面熱導。

研究數據：

圖1 (a) GaN高電子遷移率晶體管示意圖；(b) 3C-SiC/石墨烯/w-AlN異質結構模型

圖2 (a) 離子轟擊石墨烯模擬示意圖；轟擊后石墨烯(b)退火前和(c)退火后的局部結構示意圖

圖3 石墨烯結構缺陷及構型的示意圖，黑色球表示本征碳原子，橙色球表示吸附原子。(a) 單鍵吸附表面結構；(b) 雙鍵吸附結構（含兩個七元環）；(c) Stone-Wales (SW) 缺陷；(d) 替位摻雜；(e, f) 不同結構類型的單空位缺陷；(g) 多空位缺陷及其周圍拓撲缺陷；(h) 空位缺陷重疊形成的復雜結構

圖4 在轟擊能量為5–300 eV時，(a) 各類缺陷的比例、(b) 凈原子損失、凈原子增益及摻雜原子數量隨時間的變化。

圖5 3C-SiC/缺陷石墨烯/AlN異質結構界面熱導隨轟擊劑量的變化

圖6 (a) 界面熱導和最大孔洞面積隨轟擊劑量的演化；(b) 不同轟擊劑量下子界面間的相互作用能

圖7 SiC/石墨烯/AlN界面聲子態密度計算結果。(a) 聲子態密度計算區域示意圖；(b) 轟擊劑量為0時界面三種材料的聲子態密度；不同轟擊劑量下(c)石墨烯、(d) SiC和(e) AlN的聲子態密度；(f) 不同轟擊劑量下0–8 THz（石墨烯）和0–15 THz（SiC）頻率范圍內聲子態密度的積分結果。

圖8 不同轟擊劑量下SiC/石墨烯/AlN界面聲子透射隨頻率的變化

期刊：International Communications in Heat and Mass Transfer

題目:The enhancement of interfacial thermal conductance of 3C-SiC/graphene/w-AlN heterointerface by ion bombardment-induced defects

作者：Teng Gao, Bing Yang, Yunqing Tang, Xiaohu Wu

DOI：10.1016/j.icheatmasstransfer.2026.111112

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