山东理工大学杨兵等 ICHMT：离子轰击诱导缺陷提高3C-SiC/石墨烯/w-AlN异质界面热导

研究背景：

随着GaN芯片的尺寸不断缩小、功率密度持续提升，芯片内部的热流密度显著增加，异质界面处的热阻往往成为限制散热效率的主要瓶颈。在GaN芯片中，SiC常作为高导热衬底，石墨烯和AlN作为GaN的缓冲层，形成了SiC/石墨烯/AlN/GaN的典型芯片内部结构。已有研究表明，在石墨烯中引入纳米尺度缺陷可以有效调控界面热输运性能。但现有工作主要存在两方面不足：一是由于尺寸限制，实验难以直接揭示缺陷调控界面热导的微观机制，需要仿真辅助；二是当前仿真中的纳米级缺陷多为人为添加，不能反映真实缺陷状态。针对上述问题，本文采用分子动力学方法，模拟离子轰击过程，在石墨烯中引入更接近真实状态的缺陷结构，并系统分析了其对SiC/石墨烯/AlN异质界面热导的影响机制。

在本研究中，首先构建了3C-SiC/石墨烯/w-AlN三层异质结构模型。随后，通过分子动力学方法模拟离子轰击石墨烯过程。采用碳原子作为入射粒子，通过调节入射能量和剂量，实现对石墨烯缺陷结构的可控调控。在缺陷结构构建完成后，采用瞬态泵浦法计算了界面热导。最后系统分析不同轰击能量和剂量条件下石墨烯缺陷形貌的演化规律，并结合声子态密度及声子透射特性，探讨了缺陷对界面热输运的调控机制。

目前，该文以“The enhancement of interfacial thermal conductance of 3C-SiC/graphene/w-AlN heterointerface by ion bombardment-induced defects”为题在《International Communications in Heat and Mass Transfer》上发表。文章第一作者为山东理工大学研究生高腾，通讯作者为山东理工大学杨兵老师。

研究结论：

本文研究结论可以概括为以下几点：1. 离子轰击后，石墨烯主要形成以空位缺陷为主的数量型缺陷，并伴随局域拓扑重构，且拓扑缺陷多分布于空位缺陷周围。缺陷随轰击能量演化具有明显的阶段性特征：在低能区以吸附缺陷为主，中能区吸附缺陷与单空位缺陷共存，高能区以单空位缺陷为主。当轰击剂量较低时，轰击剂量主要影响缺陷密度，当轰击剂量过高时，石墨烯会出现局部非晶或形成较大的孔洞。2. 离子轰击引入的石墨烯缺陷可以显著提高界面热导。轰击能量为200 eV，剂量为1×10¹⁴/cm²时，界面热导相比无缺陷情况提高约一倍。界面热导的变化并非单调依赖缺陷密度，而是与缺陷结构特征密切相关。单空位缺陷在界面热导调控中存在边际效应递减的特性，单空位缺陷与多空位缺陷对热导的协同调控作用强于单一的单空位缺陷的累积效应。3. 离子轰击诱导的缺陷改变了石墨烯的局部结构特征，影响了界面接触状态，增强了石墨烯与SiC在低频范围（0–8 THz）的声子态密度重叠，同时提高了在0–15 THz范围内的声子透射系数，最终显著提升了界面热导。

研究数据：

图1 (a) GaN高电子迁移率晶体管示意图；(b) 3C-SiC/石墨烯/w-AlN异质结构模型

图2 (a) 离子轰击石墨烯模拟示意图；轰击后石墨烯(b)退火前和(c)退火后的局部结构示意图

图3 石墨烯结构缺陷及构型的示意图，黑色球表示本征碳原子，橙色球表示吸附原子。(a) 单键吸附表面结构；(b) 双键吸附结构（含两个七元环）；(c) Stone-Wales (SW) 缺陷；(d) 替位掺杂；(e, f) 不同结构类型的单空位缺陷；(g) 多空位缺陷及其周围拓扑缺陷；(h) 空位缺陷重叠形成的复杂结构

图4 在轰击能量为5–300 eV时，(a) 各类缺陷的比例、(b) 净原子损失、净原子增益及掺杂原子数量随时间的变化。

图5 3C-SiC/缺陷石墨烯/AlN异质结构界面热导随轰击剂量的变化

图6 (a) 界面热导和最大孔洞面积随轰击剂量的演化；(b) 不同轰击剂量下子界面间的相互作用能

图7 SiC/石墨烯/AlN界面声子态密度计算结果。(a) 声子态密度计算区域示意图；(b) 轰击剂量为0时界面三种材料的声子态密度；不同轰击剂量下(c)石墨烯、(d) SiC和(e) AlN的声子态密度；(f) 不同轰击剂量下0–8 THz（石墨烯）和0–15 THz（SiC）频率范围内声子态密度的积分结果。

图8 不同轰击剂量下SiC/石墨烯/AlN界面声子透射随频率的变化

期刊：International Communications in Heat and Mass Transfer

题目: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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