《石墨烯體系界面接觸熱傳導性質的理論研究》是依託北京大學，由張剛擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：石墨烯體系界面接觸熱傳導性質的理論研究
- 依託單位：北京大學
- 項目負責人：張剛
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
在本項目中，我們將從理論和計算模擬兩個方面開展石墨烯體系界面接觸熱傳導性質的系統研究，具體的研究內容包括：（1）利用分子動力學模擬研究石墨烯納米帶與半導體材料間的接觸熱阻。結合晶格動力學計算，揭示納米尺度界面接觸熱傳導的特有物理機制。（2）設計適當連結材料以降低石墨烯與半導體材料的界面接觸熱阻，獲得高穩定性、低界面熱阻的解決方案。（3）系統研究非理想界面、界面成鍵密度、摻雜、結構缺陷等因素對石墨烯與半導體界面接觸熱傳導性質的影響。通過對計算結果的綜合系統分析，提出降低界面接觸熱阻，提高石墨烯體系熱傳導能力的方案。（4）探索石墨烯與金屬材料間的界面接觸熱阻。本項目擬通過以上的研究，深入理解納米尺度界面接觸熱阻的物理特性。在物理機制研究的基礎上，為基於石墨烯的納米功能器件設計提供直接的理論支持。本項目的成功將為納米尺度熱傳導理論以及納米信息、能源功能器件中的熱控制做出貢獻。
結題摘要
本項目嚴格按照研究計畫執行。本項目的預期研究目標包括：（1）低維納米材料界面接觸熱阻的物理機制。（2）設計適當連結材料以降低石墨烯與半導體材料的界面接觸熱阻。（3）為基於石墨烯的納米功能器件設計提供直接的理論支持。上述研究目標均順利完成。具體完成情況包括：（1）套用分子動力學計算結合晶格動力學，研究了不同因素對石墨烯納米帶熱導率的影響，包括寬度，長度，同位素摻雜及內部應力的效應，並深入分析了其中的物理機制。這項工作對理解一維及二維體系聲子工程，進而調控熱導率有著重要意義。（2）研究了石墨烯與體材料的接觸熱阻。我們發現，對理想的單層石墨烯，其中的溫度顯示理想的線性分布。而當石墨烯兩端置於襯底上時，在懸空區與非懸空石墨烯部分間出現明顯的溫度跳變，而溫度跳變的大小隨石墨烯與襯底間相互作用的增加而顯著增強。這種溫度躍變伴隨著熱流密度的降低。這是導致實際套用中石墨烯熱導率低於理想條件的一個主要因素。對於常用的二氧化矽襯底，石墨烯與襯底間的相互作用可導致石墨烯中承載的熱流密度僅為理想單層石墨烯中的20%。這項工作揭示了襯底-石墨烯相互作用對石墨烯中熱導率的重要影響，為石墨烯材料在納米尺度溫度控制中的套用提供了設計依據。（3）從理論上提出了基於石墨烯複合材料的熱整流器件的設計方案。我們與北京大學鄒如強實驗組及清華大學任天令實驗組合作，首次在實驗上實現了基於石墨烯複合材料的熱整流器件。熱整流效率Rectification ratio可以達到160%。我們還研究了相變材料填充率及工作溫度對熱整流效率的影響。實驗結果完全驗證了我們的理論預測。 在預期研究目標外，我們還研究了拓撲絕緣體納米結構的熱導率。我們詳細研究了拓撲絕緣體納米線和納米薄膜的熱導率，並提出套用應力來調控熱導率及局域熱流密度的方法。 在項目的支持下，我們共發表17篇論文，其中SCI論文15篇。受邀為Pan Stanford出版社編輯出版題為“Nanoscale Energy Transport and Harvesting: A Computational Study”的專著。項目經費使用情況完全按照預算進行。
