【材料】垂直石墨烯纳米片助推紫外LED器件散热

来源：X一MOL资讯

以氮化铝（AlN）、氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料，因其优异的性能在LED（Light Emitting Diode）发光二极管等光电器件领域有着广泛的应用。在目前市场上，大部分LED器件是在蓝宝石衬底上外延获得的。由于蓝宝石衬底的热导率低，导致LED器件在使用过程存在严重的散热问题。热量的产生会带来一系列问题，包括器件能耗增加、效率降低、使用寿命缩短等。尤其对大功率LED器件，高的工作电流使得散热问题尤为突出，因此如何有效促进LED器件散热是未来LED照明的考虑的一个重点。最近，北京大学纳米化学研究中心、北京石墨烯研究院刘忠范院士团队与中国科学院半导体研究所照明研发中心李晋闽研究员团队合作，提出了利用垂直石墨烯纳米片的特殊结构，促进紫外LED器件散热的新策略。

图1. 基于垂直石墨烯纳米片促进AlN薄膜散热

垂直石墨烯纳米片，除了具有水平石墨烯薄膜优异的特性之外，还具有大的比表面积、丰富的活性边缘缺陷、非堆叠的三维几何形貌和一定的自支撑性等特性，从而受到人们的广泛关注，可以满足很多实际应用对材料的需求，被应用在场发射器件、高灵敏度的传感器、储能器件、太阳能转化以及高效催化等领域。利用等离子体增强化学气相沉积技术，可以实现在蓝宝石基底上垂直石墨烯纳米片的直接、低温生长获得。对水平石墨烯薄膜而言，其水平方向显示出超高的热导率～5000 Wm-1 K-1；但垂直方向上由于层间声子散射作用强烈，热导率会发生急剧下降。而对垂直结构的石墨烯纳米片而言，其取向与基底垂直，能够弥补水平石墨烯薄膜在垂直方向热导率低的不足，同时在水平方向上通过纳米片与纳米片之间的相互连接，也可以实现较好的热量传播。基于此，北京大学刘忠范课题组与半导体所李晋闽课题组首次提出借助垂直石墨烯纳米片，实现LED器件的构筑，进一步促进LED器件的散热。

图2. 有无垂直石墨烯纳米片作为缓冲层的AlN薄膜的表面温度分布

用拉曼测量法，可以测得垂直取向石墨烯纳米片薄膜的热导率为680 W/mK，远高于蓝宝石衬底的热导率，表明这种纳米厚的材料在热传导领域有很大的应用前景。进一步通过理论和实验结果验证，当有垂直石墨烯纳米片作为缓冲层时，氮化铝薄膜的表面温度与无垂直石墨烯纳米片相比，降低了约3.8%。基于此制备紫外LED器件，并对其发光效率进行表征，在350 mA注射电流下，有垂直石墨烯纳米片的LED器件的光输出功率，与无垂直石墨烯纳米片相比提高约37%。垂直石墨烯纳米片作为缓冲层的存在，能够有效促进AlN薄膜的散热，进一步提高制备的LED器件的性能。

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是北京大学博士研究生慈海娜、中科院半导体所博士研究生常洪亮和北京大学博士研究生王若嵛。