低维碳材料界面热输运分子动力学研究

摘要

随着制造工艺的发展，电子器件的特征长度正迅速接近或达到纳米量级。由于纳米接触形成的界面热阻随着器件的日益微型化而成为电子系统热设计研究的瓶颈。低维碳材料，尤其是具有极佳的电学和热学物理性质的一维碳纳米管和二维石墨烯，在电子系统中具有不可估量的应用潜力。因此，本论文采用经典分子动力学方法研究了碳纳米管和石墨烯两种低维碳材料的界面热输运问题。 对于碳纳米管垂直硅基体结构，随着温度的升高以及碳纳米管长度的增加，界面热导逐渐增大。减弱碳纳米管共价键强度、增加碳纳米管层数和嵌入长度能够增大近界面处声子谱的匹配程度以及界面共价键数目，提高界面传热效率。而界面热导会随着基体近界面处杂质原子的掺杂比例和层数的增加而减小。 对于碳纳米管平行石墨烯结构，界面热导随温度和界面范德瓦尔斯力强度的增大而单调增加，界面处引入分子桥会使界面热导提高一个数量级。拉应力会增大无分子桥界面的界面热阻，而对有分子桥的界面的界面热阻无影响；声子态密度分析显示，拉应力增大了石墨烯中sp3杂化碳原子和分子桥声子谱的匹配程度，弥补了sp2杂化碳原子声子谱红移引起的晶格振动失配。 分析了硅原子功能化石墨烯纳米带的热整流效应。研究发现，由功能化区域向非功能化区域的热流大于反方向的热流。热整流效应可以通过硅原子浓度和分布方式调控。适中的硅原子浓度和有序分布有助于获得更高的整流系数。热整流系数还与系统两端温差和平均温度有关。随着系统尺寸的增加，石墨烯纳米带内部声子输运由弹道输运模式向扩散输运模式转变，热整流效应逐渐减弱。而声子态密度分析表明，不同热流方向下界面两侧声子谱重叠特性的差异是导致热整流效应的根本原因。

目录

第一个书签之前