吸附修饰型双层石墨烯热整流特性研究

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信息化时代的到来,使得微光电子技术得到快速发展。由于器件的小型化和集成化,微光机电系统的热稳定性和工况下的可靠性由热量转移效率来保证,微尺度纳米材料优异的热传导特性能够帮助解决微纳米器件的散热问题。自石墨烯制备以来,因其优秀的电学、机械、热学等特性而受到广泛关注,在热能管理、热电发电、微型传感器等领域具有巨大的应用价值。在热学方面,石墨烯的可裁剪特性为低维系统热传导机制的理论研究提供了真实模型,使得石墨烯成为构建不同的热控制器件的理想载体。通过对石墨烯热传导特性的计算机模拟,研究者们发现在非对称结构的石墨烯中存在热整流效应,石墨烯热整流现象成为一个重要研究课题,热整流元器件可以对热量进行控制和管理,从而实现热量的有效利用。表面吸附作为一种调控石墨烯声子的手段,进而对石墨烯的热特性进行调控,已引起理论研究方面越来越多的重视。本文通过分子动力学模拟方法研究双层石墨烯纳米带,重点阐述了如何利用吸附修饰下的双层石墨烯纳米带构建热学基本元器件—热整流器。主要工作如下:  (1)构建了铜吸附双层石墨烯纳米带不对称结构,研究了扶手型双层石墨烯纳米带在铜原子吸附浓度,吸附形状以及模拟温度下的热导率及热整流值的变化规律。研究表明:少量铜原子吸附,双层石墨烯纳米带热导率在增大,当Cu/C大于0.24%时,热导率减小的很明显。温度的升高使得铜吸附双层石墨烯纳米带热导率逐渐减小,并且铜原子T形吸附双层石墨烯纳米带热导率整体大于铜原子Y形吸附双层石墨烯纳米带热导率。铜原子Y形吸附双层石墨烯热整流值随着温度的增加有减小的趋势,并且热整流效果好于铜原子T形吸附双层石墨烯纳米带。  (2)构建了氢原子吸附双层石墨烯纳米带不对称结构,研究了锯齿型双层石墨烯纳米带在氢原子附着率,模拟温度下的热导率及热整流值的变化规律。研究表明:当氢原子垂直于热流的方向吸附在双层石墨烯表面时,热导率值小于完美双层石墨烯,在氢原子附着率为2.5%时,热导率下降了60%。氢原子附着率为50%时,双层石墨烯热整流值随着温度的增加而逐渐减小。随着氢原子附着率的变化,双层石墨烯热整流值在50%附着率下达到最大值。  (3)构建了官能基吸附双层石墨烯纳米带不对称结构,研究了扶手型双层石墨烯纳米带在不同的官能基,官能基附着率以及模拟温度下热导率及热整流值的变化规律。研究表明:吸附官能基能够有效地降低双层石墨烯纳米带热导率,随着甲基附着率从0%增加到5%,双层石墨烯热导率值减小的很明显,之后热导率值减小的趋势放缓。在相同模拟温度下,甲基吸附双层石墨烯的热导率值大于苯环吸附双层石墨烯,但苯环吸附下双层石墨烯的热整流效果好于甲基吸附。  上述的研究结果为双层石墨烯在微纳电子元器件的热管控中提供了一定的参考价值。
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