自立型二重壁カーボンナノチューブネットワークの熱伝導率の向上

Enhanced Thermal Conductivity of Free-Standing Double-Walled Carbon Nanotube Networks.

抄録

ナノ材料は、バルク材料よりも優れた特性を持つことが多いため、技術の進歩を牽引している。特に、高性能電子デバイスの実現、エネルギー消費の削減、熱損傷の防止には効率的な熱放散が必要であるため、その熱特性はますます重要になっている。ナノ材料が重要な役割を果たすアプリケーションのひとつに極端紫外線（EUV）リソグラフィがあり、この場合、粒子汚染からフォトマスクを保護するペリクルは、高出力EUV放射に伴う熱に耐えるために、EUV光に対して透明で、機械的に強く、熱伝導性でなければならない。自立型カーボンナノチューブ(CNT)膜は、その高いEUV透過性と耐熱性から候補に挙がっている。しかし、これらの膜の熱伝導特性は、バルクの放射率測定以外ではよく理解されていない。二重壁CNTで構成された膜の熱伝導率は最大50 W m Kであり、CNTネットワークのみを考慮すると257 W m Kに達する。これらの値は、ランダムに配向したCNTネットワークでは著しく高く、単層CNTフィルムの約7倍である。この熱伝導の向上は、壁が追加されたことによるもので、この壁が熱伝導フォノンモードを追加し、欠陥に対するある種の耐性を与えているものと考えられる。この結果は、自立した二重壁CNT膜が効率的に熱を放散することを示しており、この有望な膜とEUVリソグラフィへの応用方法についての理解を深めるものである。

Nanomaterials are driving advances in technology due to their oftentimes superior properties over bulk materials. In particular, their thermal properties become increasingly important as efficient heat dissipation is required to realize high-performance electronic devices, reduce energy consumption, and prevent thermal damage. One application where nanomaterials can play a crucial role is extreme ultraviolet (EUV) lithography, where pellicles that protect the photomask from particle contamination have to be transparent to EUV light, mechanically strong, and thermally conductive in order to withstand the heat associated with high-power EUV radiation. Free-standing carbon nanotube (CNT) films have emerged as candidates due to their high EUV transparency and ability to withstand heat. However, the thermal transport properties of these films are not well understood beyond bulk emissivity measurements. Here, we measure the thermal conductivity of free-standing CNT films using all-optical Raman thermometry at temperatures between 300 and 700 K. We find thermal conductivities up to 50 W m K for films composed of double-walled CNTs, which rises to 257 W m K when considering the CNT network alone. These values are remarkably high for randomly oriented CNT networks, roughly seven times that of single-walled CNT films. The enhanced thermal conduction is due to the additional wall, which likely gives rise to additional heat-carrying phonon modes and provides a certain resilience to defects. Our results demonstrate that free-standing double-walled CNT films efficiently dissipate heat, enhancing our understanding of these promising films and how they are suited to applications in EUV lithography.