掺杂石墨烯热传导行为的研究

摘要

纯净的石墨烯具有很高的热传导系数。它作为高效传热介质在大规模集成电路芯片中具有广阔的应用前景。目前，化学沉积法制备石墨烯可实现大规模生产，但制备过程不可避免会引入同位素杂质13C，这会改变石墨稀的热输运性质。本文利用分子动力学模拟研究了含有13C的扶手型石墨烯的声子热传导行为，探索导致热传导系数下降的微观机制。主要内容包括以下两个工作:其一，计算了具有不同13C浓度的扶手型石墨烯的热传导系数，并通过局域动能激发的传播过程，分析了杂质13C影响热传导行为的微观机制;其二，通过不同方向的局域动量激发的传播过程，进一步细致地研究了杂质13C对不同能量传输模式的影响。
　　本文具体分为以下五章:第一章对石墨烯材料进行了一般性的介绍。第二章对研究中使用的分子动力学软件LAMMPS、模拟方法以及Tersoff势进行介绍。第三章讨论了石墨烯声子热传导的一般性理论以及目前最新的实验和理论工作;并展示了通过局域动能激发发现的四种能量传输模式:径向声学声子模式(LA)、横向声学声子模式(TA)、Z方向声学声子模式(ZA)以及第二声波(SW)。第四章研究了同位素杂质13C对石墨烯热传导的影响。通过计算，发现热传导系数随着杂质13C浓度的增加而减小;然后研究了不同13C浓度对局域动能激发传播过程的影响，发现随着13C浓度的增加，热传导系数下降的微观机制由杂质散射引起的自由程变小转变为声子局域化。最后，分别研究了杂质13C对不同能量传输模式的影响，发现随着杂质浓度增加，四种能量传输模式携带能量都单调减少，即散射强度增加。而在相同杂质浓度下，四种模式被散射的强度大小依次是TA模、SW模、ZA模和LA模。第五章是总结和展望。

目录

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摘要

第一章 石墨烯材料

1．1 引言

1．2 石墨烯

1．2．1 石墨烯材料的简介

1．2．2 石墨烯材料的特性

1．2．3 石墨烯材料的制备

1．2．4 石墨烯材料的应用

1．3 小结

第二章 LAMMPS和Tersoff势

2．1 LAMMPS简介

2．2 LAMMPS模拟热传导

2．3 Tersoff势简介

2．4 小结

第三章 石墨烯热传导

3．1 引言

3．2 热传导系数的实验测量和理论计算

3．2．1 实验测量

3．2．2 理论计算

3．2．3 模拟方法和结果

3．3 石墨烯上的声子模式

3．4 小结

第四章 同位素掺杂对石墨烯热传导的影响

4．1 引言

4．2 同位素对热传导系数的影响

4．3 同位素对声子模式的影响

4．3．1 模型和方法

4．3．2 模拟结果和分析

4．4 小结

第五章 总结和展望

参考文献

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