We demonstrate that the thermal boundary conductivity (TBC) between graphene and GaN-based light-emitting diodes (LEDs) can be manipulated through thermal annealing, which is verified by measuring the acoustic phonons after reflection at the interface. Thermal annealing affects the interfacial morphology as evaluated by both the Raman spectra and the spatial profile of the graphene wrinkles in atomic force microscopy. By tracing the phase of ultrafast acoustic oscillations on the basis of the pump-probe scheme, we extract the phonon reflection coefficient at the interface as a function of annealing temperatures up to 400 °C. Specifically, the phase shift of transient phononic oscillations at the graphene/LED interface conveys the photoelastic response during the phonon transfer process and can be used for extracting the interfacial coupling rate, which is strongly enhanced around 200°C. By incorporating the heat capacity and the interfacial coupling constants into TBC, along with analytical modeling based on the phonon reflection coefficients, we show that the TBC increases with the minimized surface roughness of graphene side at 200 °C. This new comprehensive TBC extraction scheme could spark further discussion on improving the heat dissipation of LEDs.

1.
Z.
Yan
,
G.
Liu
,
J. M.
Khan
, and
A. A.
Balandin
,
Nat. Commun.
3
,
827
(
2012
).
2.
R.
Prasher
,
Science
9
,
185
(
2010
).
3.
N.
Han
,
T. V.
Cuong
,
M.
Han
,
B. D.
Ryu
,
S.
Chandramohan
,
J. B.
Park
,
J. H.
Kang
,
Y.-J.
Park
,
K. B.
Ko
,
H. Y.
Kim
,
H. K.
Kim
,
J. H.
Ryu
,
Y. S.
Katharria
,
C.-J.
Choi
, and
C.-H.
Hong
,
Nat. Commun.
4
,
1452
(
2013
).
4.
M.
Freitag
,
M.
Steiner
,
Y.
Martin
,
V.
Perebeinos
,
Z.
Chen
,
J. C.
Tsang
, and
P.
Avouris
,
Nano Lett.
9
,
1883
(
2009
).
5.
A. A.
Balandin
,
S.
Ghosh
,
W.
Bao
,
I.
Calizo
,
D.
Teweldebrhan
,
F.
Miao
, and
C. N.
Lau
,
Nano Lett.
8
,
902
(
2008
).
6.
J. H.
Seol
,
I.
Jo
,
A. L.
Moore
,
L.
Lindsay
,
Z. H.
Aitken
,
M. T.
Pettes
,
X.
Li
,
Z.
Yao
,
R.
Huang
,
D.
Broido
,
N.
Mingo
,
R. S.
Ruoff
, and
L.
Shi
,
Science
328
,
213
(
2010
).
7.
H.
Malekpour
,
P.
Ramnani
,
S.
Srinivasan
,
G.
Balasubramanian
,
D. L.
Nika
,
A.
Mulchandani
,
R. K.
Lake
, and
A. A.
Balandin
,
Nanoscale
8
,
14608
(
2016
).
8.
S.
Chen
,
Q.
Wu
,
C.
Mishra
,
J.
Kang
,
H.
Zhang
,
K.
Cho
,
W.
Cai
,
A. A.
Balandin
, and
R. S.
Ruoff
,
Nat. Mater.
11
,
203
(
2012
).
9.
H.
Li
,
H.
Ying
,
X.
Chen
,
D. L.
Nika
,
A. I.
Cocemasov
,
W.
Cai
,
A. A.
Balandin
, and
S.
Chen
,
Nanoscale
6
,
13402
(
2014
).
10.
J. C.
Meyer
,
A. K.
Geim
,
M. I.
Katsnelson
,
K. S.
Novoselov
,
T. J.
Booth
, and
S.
Roth
,
Nature
446
,
60
(
2007
).
11.
W.
Bao
,
F.
Miao
,
Z.
Chen
,
H.
Zhang
,
W.
Jang
,
C.
Dames
, and
C. N.
Lau
,
Nat. Nanotechnol.
4
,
562
(
2009
).
12.
W.
Wang
,
S.
Yang
, and
A.
Wang
,
Sci. Rep.
7
,
8244
(
2017
).
13.
L.
Cui
,
X.
Du
,
G.
Wei
, and
Y.
Feng
,
J. Phys. Chem. C
120
,
23807
(
2016
).
14.
C.
Wang
,
Y.
Liu
,
L.
Li
, and
H.
Tan
,
Nanoscale
6
,
5703
(
2014
).
15.
A.
Mohapatra
,
S.
Das
,
K.
Majumdar
,
M. S. R.
Rao
, and
M.
Jaiswal
,
Nanoscale Adv.
3
,
1708
(
2021
).
16.
A.
Pirkle
,
J.
Chan
,
A.
Venugopal
,
D.
Hinojos
,
C. W.
Magnuson
,
S.
McDonnell
,
L.
Colombo
,
E. M.
Vogel
,
R. S.
Ruoff
, and
R. M.
Wallace
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
122108
(
2011
).
17.
X.
Du
,
I.
Skachko
,
A.
Barker
, and
E. Y.
Andrei
,
Nat. Nanotechnol.
3
,
491
(
2008
).
18.
Z.
Cheng
,
Q.
Zhou
,
C.
Wang
,
Q.
Li
,
C.
Wang
, and
Y.
Fang
,
Nano Lett.
11
,
767
(
2011
).
19.
H.
Jeong
,
Y. D.
Jho
, and
C. J.
Stanton
,
Phys. Rev. Lett.
114
,
043603
(
2015
).
20.
H.
Jeong
,
Y. D.
Jho
,
S. H.
Rhim
,
K. J.
Yee
,
S. Y.
Yoon
,
J. P.
Shim
,
D. S.
Lee
,
J. W.
Ju
,
J. H.
Baek
, and
C. J.
Stanton
,
Phys. Rev. B
94
,
024307
(
2016
).
21.
G.
Wang
,
L.
Liu
,
Z.
Dai
,
Q.
Liu
,
H.
Miao
, and
Z.
Zhang
,
Carbon
86
,
69
(
2015
).
22.
T.
Jiang
,
Z.
Wang
,
X.
Ruan
, and
Y.
Zhu
,
2D Mater.
6
,
015026
(
2019
).
23.
W.
Zhu
,
T.
Low
,
V.
Perebeinos
,
A. A.
Bol
,
Y.
Zhu
,
H.
Yan
,
J.
Tersoff
, and
P.
Avouris
,
Nano Lett.
12
,
3431
(
2012
).
24.
D.
Yoon
,
Y.-W.
Son
, and
H.
Cheong
,
Nano Lett.
11
,
3227
(
2011
).
25.
R. R.
Reeber
and
K.
Wang
,
J. Mater. Res.
15
,
40
(
2000
).
26.
J.
Zabel
,
R. R.
Nair
,
A.
Ott
,
T.
Georgiou
,
A. K.
Geim
,
K. S.
Novoselov
, and
C.
Casiraghi
,
Nano Lett.
12
,
617
(
2012
).
27.
V.
Yu
and
M.
Hilke
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
151904
(
2009
).
28.
A. C.
Ferrari
and
D. M.
Basko
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
235
(
2013
).
29.
P.
Wang
,
W.
Gao
, and
R.
Huang
,
J. Appl. Phys.
119
,
074305
(
2016
).
30.
K.
Zhang
and
M.
Arroyo
,
J. Appl. Phys.
113
,
193501
(
2013
).
31.
T.
Journot
,
H.
Okuno
,
N.
Mollard
,
A.
Michon
,
R.
Dagher
,
P.
Gergaud
,
J.
Dijon
,
A. V.
Kolobov
, and
B.
Hyot
,
Nanotechnology
30
,
505603
(
2019
).
32.
C.
Thomsen
,
H. T.
Grahn
,
H. J.
Maris
,
J.
Tauc
, and
J. J.
Hauser
,
Phys. Rev. Lett.
53
,
989
(
1984
);
C.
Thomsen
,
H. T.
Grahn
,
H. J.
Maris
, and
J.
Tauc
,
Phys. Rev. B
34
,
4129
(
1986
).
33.
R.
Liu
,
G. D.
Sanders
,
C. J.
Stanton
,
C. S.
Kim
,
J. S.
Yahng
,
Y. D.
Jho
,
K. J.
Yee
,
E.
Oh
, and
D. S.
Kim
,
Phys. Rev. B
72
,
195335
(
2005
).
34.
J. D. G.
Greener
,
A. V.
Akimov
,
V. E.
Gusev
,
Z. R.
Kudrynskyi
,
P. H.
Beton
,
Z. D.
Kovalyuk
,
T.
Taniguchi
,
K.
Watanabe
,
A. J.
Kent
, and
A.
Patanè
,
Phys. Rev. B
98
,
075408
(
2018
).
35.
J. D. G.
Greener
,
E.
de L. Savi
,
A. V.
Akimov
,
S.
Raetz
,
Z.
Kudrynskyi
,
Z. D.
Kovalyuk
,
N.
Chigarev
,
A.
Kent
,
A.
Patanè
, and
V.
Gusev
,
ACS Nano
13
,
11530
(
2019
).
36.
H.-Y.
Chen
,
Y.-R.
Huang
,
H.-Y.
Shih
,
M.-J.
Chen
,
J.-K.
Sheu
, and
C.-K.
Sun
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
213101
(
2017
).
37.
C.-K.
Sun
,
Y.-T.
Yao
,
C.-C.
Shen
,
M.-H.
Ho
,
T.-C.
Lu
, and
J.-K.
Sheu
,
J. Phys. Chem. C
124
,
2987
(
2020
).
38.
K.-Y.
Chou
,
C.-L.
Wu
,
C.-C.
Shen
,
J.-K.
Sheu
, and
C.-K.
Sun
,
J. Phys. Chem. C
125
,
3134
(
2021
).
39.
S.
Lee
,
H.
Jeong
,
H.
Lee
,
A. J.
Minnich
,
S.-R.
Jeon
,
T. H.
Chung
,
C. J.
Stanton
, and
Y. D.
Jho
, “Nonlinear photoelasticity to explicate acoustic dephasing dynamics,” arXiv:1803.02105v3 (2018).
40.
S.
Wu
,
P.
Geiser
,
J.
Jun
,
J.
Karpinski
, and
R.
Sobolewski
,
Phys. Rev. B
76
,
085210
(2007).
41.
P.
Soubelet
,
A. A.
Reynoso
,
A.
Fainstein
,
K.
Nogajewski
,
M.
Potemski
,
C.
Faugeras
, and
A. E.
Bruchhausen
,
Nanoscale
11
,
10446
(
2019
).
42.
P.-A.
Mante
,
Y.-R.
Huang
,
S.-C.
Yang
,
T.-M.
Liu
,
A.
Maznev
,
J.-K.
Sheu
, and
C.-K.
Sun
,
Ultrasonics
56
,
52
(
2015
).
43.
T.-H.
Chou
,
L.
Lindsay
,
A. A.
Maznev
,
J. S.
Gandhi
,
D. W.
Stokes
,
R. L.
Forrest
,
A.
Bensaoula
,
K. A.
Nelson
, and
C.-K.
Sun
,
Phys. Rev. B
100
,
094302
(
2019
).
44.
T.-M.
Liu
,
S.-Z.
Sun
,
C.-F.
Chang
,
C.-C.
Pan
,
G.-T.
Chen
,
J.-I.
Chyi
,
V.
Gusev
, and
C.-K.
Sun
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
041902
(
2007
).
45.
A. A.
Maznev
,
F.
Hofmann
,
A.
Jandl
,
K.
Esfarjani
,
M. T.
Bulsara
,
E. A.
Fitzgerald
,
G.
Chen
, and
K. A.
Nelson
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
041901
(
2013
).
46.
A. J.
Minnich
,
J. A.
Johnson
,
A. J.
Schmidt
,
K.
Esfarjani
,
M. S.
Dresselhaus
,
K. A.
Nelson
, and
G.
Chen
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
095901
(
2011
).
47.
M.
Maldovan
,
Nat. Mater.
14
,
667
(
2015
).
48.
E. T.
Swartz
and
R. O.
Pohl
,
Rev. Mod. Phys.
61
,
605
(
1989
).
49.
R.
Prasher
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
041905
(
2009
).
50.
Z.-Y.
Ong
and
E.
Pop
,
Phys. Rev. B
84
,
075471
(
2011
).
51.
G. C.
Correa
,
C. J.
Foss
, and
Z.
Aksamija
,
Nanotechnology
28
,
135402
(
2017
).
52.
J. M.
Ziman
,
Electrons and Phonons: The Theory of Transport Phenomena in Solids
(
Oxford University Press
,
Oxford, UK
,
1960
).
53.
Y.-C.
Wen
,
C.-L.
Hsieh
,
K.-H.
Lin
,
H.-P.
Chen
,
S.-C.
Chin
,
C.-L.
Hsiao
,
Y.-T.
Lin
,
C.-S.
Chang
,
Y.-C.
Chang
,
L.-W.
Tu
, and
C.-K.
Sun
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
264301
(
2009
).
54.
C. J.
Foss
and
Z.
Aksamija
,
2D Mater.
6
,
025019
(
2019
).
55.
I.-J.
Chen
,
P.-A.
Mante
,
C.-K.
Chang
,
S.-C.
Yang
,
H.-Y.
Chen
,
Y.-R.
Huang
,
L.-C.
Chen
,
K.-H.
Chen
,
V.
Gusev
, and
C.-K.
Sun
,
Nano Lett.
14
,
1317
(
2014
).
56.
M.
Ishigami
,
J. H.
Chen
,
W. G.
Cullen
,
M. S.
Fuhrer
, and
E. D.
Williams
,
Nano Lett.
7
,
1643
(
2007
).
57.
P.
Yasaei
,
C. J.
Foss
,
K.
Karis
,
A.
Behranginia
,
A. I.
El-Ghandour
,
A.
Fathizadeh
,
J.
Olivares
,
A. K.
Majee
,
C. D.
Foster
,
F.
Khalili-Araghi
,
Z.
Aksamija
, and
A.
Salehi-Khojin
,
Adv. Mater. Interfaces
4
,
1700334
(
2017
).
58.
B. N. J.
Persson
and
H.
Ueba
,
Europhys. Lett.
91
,
56001
(
2010
).
59.
W.
Gao
and
R.
Huang
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
44
,
452001
(
2011
).
60.
Z. H.
Aitken
and
R.
Huang
,
J. Appl. Phys.
107
,
123531
(
2010
).
61.
J.
Judek
,
A. P.
Gertych
,
M.
Swiniarski
,
A.
Lapinska
,
A.
Duzynska
, and
M.
Zdrojek
,
Sci. Rep.
5
,
12422
(
2015
).
62.
S.
Vaziri
,
E.
Yalon
,
M. M.
Rojo
,
S. V.
Suryavanshi
,
H.
Zhang
,
C. J.
McClellan
,
C. S.
Bailey
,
K. K. H.
Smithe
,
A. J.
Gabourie
,
V.
Chen
,
S.
Deshmukh
,
L.
Bendersky
,
A. V.
Davydov
, and
E.
Pop
,
Sci. Adv.
5
,
eaax1325
(
2019
).
63.
K. F.
Mak
,
C. H.
Lui
, and
T. F.
Heinz
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
221904
(
2010
).
64.
J.
Yang
,
E.
Ziade
,
C.
Maragliano
,
R.
Crowder
,
X.
Wang
,
M.
Stefancich
,
M.
Chiesa
,
A. K.
Swan
, and
A. J.
Schmidt
,
J. Appl. Phys.
116
,
023515
(
2014
).
65.
Z.
Chen
,
W.
Jang
,
W.
Bao
,
C. N.
Lau
, and
C.
Dames
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
161910
(
2009
).
66.
W.
Zhao
,
W.
Chen
,
Y.
Yue
, and
S.
Wu
,
Appl. Therm. Eng.
113
,
481
(
2017
).
67.
See, e.g.,
R.-J.
Shiue
,
Y.
Gao
,
C.
Tan
,
C.
Peng
,
J.
Zheng
,
D. K.
Efetov
,
Y. D.
Kim
,
J.
Hone
, and
D.
Englund
,
Nat. Commun.
10
,
109
(
2019
).
68.
Y.
Li
,
Y.
Zhu
,
G.
Jiang
,
Z. P.
Cano
,
J.
Yang
,
J.
Wang
,
J.
Liu
,
X.
Chen
, and
Z.
Chen
,
Small
16
,
1903315
(
2020
).
69.
D. G.
Cahill
,
P. V.
Braun
,
G.
Chen
,
D. R.
Clarke
,
S.
Fan
,
K. E.
Goodson
,
P.
Keblinski
,
W. P.
King
,
G. D.
Mahan
,
A.
Majumdar
,
H. J.
Maris
,
S. R.
Phillpot
,
E.
Pop
, and
L.
Shi
,
Appl. Phys. Rev.
1
,
011305
(
2014
).
70.
Z.
Fan
,
W.
Chen
,
V.
Vierimaa
, and
A.
Harju
,
Comput. Phys. Commun.
218
,
10
(
2017
).
71.
J.
Nord
,
K.
Albe
,
P.
Erhart
, and
K.
Nordlund
,
J. Phys.: Condens. Matter
15
,
5649
(
2003
).
72.
L.
Lindsay
and
D. A.
Broido
,
Phys. Rev. B
81
,
205441
(
2010
).
You do not currently have access to this content.