石墨烯具有超過200,000 cm2/Vs的遷移率和高達2,000 W / mK的導熱率，因此在傳輸能量方面極為有效。由于這種效率，石墨烯繼續被眾多微電子和光電應用所追求。不管最終使用什么，每種追求的共同點都是實際需要以實用的規模將該二維材料（2D）連接到三維（3D）世界中。例如，可以從多個供應商處以接近晶片尺寸（約2英寸）獲得在銅上使用化學氣相沉積（CVD）合成的石墨烯。通過將碳化硅（SiC）從硅（Si）升華而實現的外延（Epi）石墨烯僅受支撐基板尺寸的限制。

然而，提供規模的相同合成過程也會引起形態缺陷，從而限制了器件性能。外延和CVD合成均會導致不均勻層數較小的區域，這會增加電阻。CVD設備需要進行層轉移，這會引起遷移率降低的皺紋和層間碎屑。同樣，應變會引起皺紋，從而限制了外延器件的移動性。在這里，這些形態的缺陷顯示出驅動石墨烯器件的自熱和最終失效。

圖為裸外延石墨烯器件的拉曼光譜和紅外熱成像

僅從熱阻的角度來看，外延石墨烯提供了一種最小化自發熱和最大化功耗的途徑。碳化硅在室溫下的導熱率約為硅的3倍。此外，由于外延石墨烯是直接在SiC的頂部合成的，因此不存在將石墨烯與導熱性更高的襯底分開的絕熱介電層。雖然CVD石墨烯向SiC的轉移可以利用襯底的高導熱性，但較弱的范德華力鍵合會導致界面處的熱阻較大

圖為覆蓋外延石墨烯器件的拉曼光譜和紅外熱成像

但是，自加熱并非僅由熱阻決定，而是由產生熱量的區域決定。局部發熱的因素會加劇其影響。在這里，結合紅外熱成像技術，比較了由化學氣相沉積（CVD）和外延手段合成的石墨烯器件的自熱誘發失效。證明了石墨烯器件中局部發熱的形態缺陷最終決定了其功率處理能力。具體而言，在SiC器件上外延石墨烯的擊穿功率顯示為<3倍，而在類似襯底上由CVD石墨烯制成的可比較器件。紅外熱成像獲得的溫度分布表明，差異是由于合成過程中的形態特征所引起的熱局部化而引起的。總而言之，結果表明，石墨烯的形態而不是系統的熱阻決定了石墨烯可以承受的功率。

參考資料：

Thomas E. Beechem, Ryan A. Sha?er, John Nogan, et al. Self-Heating and Failure in Scalable Graphene Devices. Scientific Reports. 6:26457, 2016.