石墨烯热整流器设计与机理研究
随着电子信息技术的快速发展，电子器件的功能越来越强，芯片的集成度越来越高，热失效成为其最主要的失效形式。石墨烯具有优秀的电学、热学、力学、光学性能，能有效解决芯片的热失效问题，并在热能控制、微传感器等领域发挥巨大作用。近年来很多研究者在对石墨烯热特性研究时意外发现，石墨烯中存在着热整流现象，这将在热能的控制管理、微纳器件设计、信息传递等方面产生重大的意义，石墨烯热整流方面的研究也成为一个重要研究课题。本文通过缺陷、掺杂以及不同夹角的形式构造了多种石墨烯纳米带热整流器件模型，并通过分子动力学模拟方法研究了其热导率、热整流特性。主要工作如下： (1)构建了三角形缺陷氮掺杂石墨烯纳米带，研究了缺陷周围氮掺杂浓度和模拟温度对热导率和热整流的影响。结果表明：三角形缺陷的出现会使石墨烯纳米带热导率大大降低，而缺陷周围0.85％氮掺杂能有效改进其导热特性，使热导率出现较大幅度的增加，继续增大氮掺杂浓度热导率开始出现缓慢下降的趋势。从不同氮掺杂浓度下温度对热导率影响曲线中发现，氮掺杂浓度越高，温度对热导率的影响越小。石墨烯纳米带上三角形缺陷的引入会使热整流效率达到10%以上，0.85%的氮掺杂会使热整流效率降低很多，继续增加氮掺杂浓度，热整流值开始有变大的趋势，在这方面热整流的变化趋势跟热导率的变化趋势刚好相反。 (2)构建了带有夹角的石墨烯纳米带，研究了不同夹角下其热导率和热整流的变化趋势，并重点研究了120°夹角石墨烯纳米带模拟温度对热导率和热整流的影响。结果表明：在石墨烯纳米带中随着夹角的出现并增大，热导率先是出现明显的下降，接着下降速度变缓并下降到最低点，之后是微小的波动。热整流随着夹角的增大是先增大再减小，在120°夹角时达到最大。对于120°夹角的石墨烯纳米带，模拟温度对热整流的影响较大，随着模拟温度升高，热整流效率显著降低。 (3)研究了120°夹角石墨烯纳米带各臂宽度差、长度差以及边缘氢化和边缘氮化对热导率和热整流的影响。结果表明：宽度差和长度差都会降低120°夹角石墨烯纳米带的热导率，但宽度差的影响更大些。宽度差对热整流效率有很大的提升作用，最大值可达到110.4%，长度差对热整流的作用不大，且会使热整流降低。边缘氢化和边缘氮化对热导率随温度的变化趋势影响并不大，对整体热导率影响较大。边缘氢化后整体热导率降低超过20%，而边缘氮化会使热导率大幅提升，提升超过70%。 以上研究结果为石墨烯在微纳电子器件制造及热管理和热控制方面提供一定的参考价值。
石墨烯纳米带;热整流器件;分子动力学;热导率;热整流特性
江苏大学
硕士
机械电子工程
杨平
2016
中文
TN35
72
2016-08-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）