結(jié)構(gòu)修飾型石墨烯熱整流器的機制研究.pdf

1、隨著納米科學技術(shù)與新材料技術(shù)的不斷發(fā)展，器件尺度納米化已經(jīng)成為一種必然趨勢。納米尺度下器件是否能夠穩(wěn)定運行及器件使用壽命長短很大程度上受高熱流密度散熱的影響，而低維納米結(jié)構(gòu)由于其優(yōu)異的熱傳導性能引起了人們的廣泛關(guān)注。石墨烯，作為當前世界上唯一已知的可以穩(wěn)定存在的新型二維材料，其優(yōu)秀的力學、電學、光學、熱學等特性，自從被發(fā)現(xiàn)就立刻引起人們極大地關(guān)注?？茖W家們不僅通過石墨烯來研究二維體系的性質(zhì)，而且借助其優(yōu)越的性能進行了多方面的技術(shù)開發(fā)和實

2、際應用。在熱學方面，通過對石墨烯系統(tǒng)的熱傳導理論研究和數(shù)值模擬，極大地加深了人們對熱傳導物理機制地理解，熱整流現(xiàn)象便是在這樣的研究中被發(fā)現(xiàn)地，并逐步成為近年來國際上研究的熱門課題。聲子作為石墨烯材料中熱能載體，對聲子調(diào)控進行深入性研究，可以為基于石墨烯微納電子器件的熱能轉(zhuǎn)換與散熱提供有效的解決方案。本課題選擇石墨烯納米帶為研究對象，采用經(jīng)典分子動力學模擬方法，重點闡述了如何利用微納米結(jié)構(gòu)材料構(gòu)建熱學（聲子學）基本元器件—熱整流器/熱二極

3、管。主要工作如下:
　　(1)通過對石墨烯納米帶進行兩種空間規(guī)則分布的氮摻雜來搭建熱整流器。以鋸齒型石墨烯納米帶為研究對象，圍繞氮摻雜石墨烯的幾何形狀，空間位置以及模擬溫度對石墨烯納米帶熱傳導及熱整流效率作系統(tǒng)研究。研究表明:隨著溫度升高，氮摻雜石墨烯納米帶熱傳導系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，平行分布多氮摻雜石墨烯納米帶熱傳導系數(shù)整體大于三角形分布單氮摻雜石墨烯納米帶熱傳導系數(shù)。在溫度變化范圍內(nèi)，三角形分布單氮摻雜石墨烯熱整流器熱整流值隨著溫

4、度的增加呈現(xiàn)下降趨勢，并且在200K時出現(xiàn)最大值。平行分布多氮摻雜石墨烯熱整流器中不存在熱整流現(xiàn)象。
　　(2)通過對石墨烯納米帶進行邊緣氫化來搭建熱整流器。以鋸齒型石墨烯納米帶為研究對象，圍繞模擬溫度和邊緣氫化尺寸對石墨烯納米帶熱傳導及熱整流效率作系統(tǒng)研究。研究表明:邊緣氫化尺寸Lpristine/LH-Terminated=1時，熱傳導系數(shù)相對于完美石墨烯納米帶熱傳導系數(shù)有所減小，邊緣氫化石墨烯納米帶在不同熱流方向上的熱傳導系

5、數(shù)比值都隨著溫度的升高而變大。整個邊緣氫化石墨烯熱整流器的熱整流值隨著系統(tǒng)溫度的升高呈現(xiàn)下降的趨勢，并且在200K時有最大熱整流值。在不同邊緣氫化尺寸Lpristine/LH-Terminated下，整條熱整流值曲線呈現(xiàn)開口向下拋物線形狀，拋物線對稱軸左邊的熱整流值略大于右邊的熱整流值，且Lpristine/LH-Terminated=1時熱整流值最大。
　　(3)通過對石墨烯納米帶中引入三角形空位缺陷來搭建熱整流器。以扶手型石墨

6、烯納米帶為研究對象，圍繞系統(tǒng)溫度和三角形空位缺陷尺寸對石墨烯納米帶熱傳導及熱整流效率作系統(tǒng)研究。研究表明:三角形空位缺陷能夠有效地降低石墨烯納米帶熱傳導系數(shù)，在缺陷尺寸較小時，石墨烯納米帶熱傳導系數(shù)劇烈下降。隨后，當缺陷尺寸變大到一定程度時，熱傳導系數(shù)下降趨于平緩。在相同缺陷濃度不同溫度下，不同熱流方向上石墨烯納米帶熱傳導系數(shù)隨溫度變化幅度不大，即對模擬溫度敏感性不強。缺陷石墨烯熱整流器效率值隨著移除原子簇數(shù)目的增加而升高。在缺陷濃度較