基于界面热阻的尺寸效应探讨声子在界面上的输运机制

The existing models of interface thermal resistance cannot agree with experimental results, due to the lack of understanding of mechanism of phonon transport at interfaces. Funded by NSFC, we experimentally confirmed the existence of the size effect of interface thermal resistance, and the size effect is related to the reflection, transmission, and transmission coefficient etc. of phonons at interface. In this project we proposed to study the effects of interface roughness, contact form etc. on the size effect of interface thermal resistance via experiments, molecular dynamics simulations, and Monte Carlo simulations. Since interface thermal resistance only depends on the transmission coefficient and non-elastic scattering, phonon behavior at interface cannot be revealed through measurements on interface thermal resistance. The size effect of interface thermal resistance provide us a brand-new approach to study mechanisms of phonon transport at interface.

由于对声子在界面上的输运机制了解不足，已有的界面热阻理论模型都不能和实验结果相吻合。在上一个国家自然科学基金的资助下，我们在实验上确认了界面热阻存在尺寸效应，并且尺寸效应同声子在界面上的反射、透射方式、透射系数等因素有关。本项目将对界面热阻的尺寸效应展开更加深入的研究，通过实验测试、分子动力学模拟、Monte Carlo模拟等手段，讨论界面粗糙度、接触形式等对尺寸效应的影响。由于界面热阻只取决于声子在界面上的透射系数、非弹性散射，因此单纯测试界面热阻的数值并不能完全确定声子在界面上的输运机制。界面热阻的尺寸效应为我们研究声子在界面上的输运机制提供了一个崭新的途径。

本项目以实验为主要研究手段，以计算机模拟和理论计算为辅助研究手段，探讨了声子、电子界面输运、材料导热、导电性能调控。所完成的研究内容可以归结为三类：1）实验技术相关工作；2）声子和电子界面输运相关工作；3）材料导热、导电性能调控相关工作。.在实验技术方面，完成了热桥法实验台的优化工作，实现了一维纳米结构500 K以上导热系数的测量，提出了一种测量圆形截面一维纳米结构间接触热阻的测试方案。针对直接通电法纤维导热系数测量技术，提出变长度测量方案以消除侧面换热的影响。.在声子和电子界面输运方面，结合实验、计算机模拟和理论计算三种研究手段，探讨了石墨/金属界面热导、轴向应变对CNT间接触热导的影响、以及多阶界面对声子的过滤效应。发现氢化可以抑制电子对石墨/金属界面热导的贡献，使得Au/石墨烯/Au界面热导降低约50%。而聚焦离子束辐照可以降低石墨表面的费米能级，改变石墨表面的电子分布，进而增强石墨和金属之间的结合力，最终将石墨和金属的界面热导提升5倍左右。轴向应变使得CNT低频段声子向高频区间移动而降低声子界面的透射率，从而降低了CNT间接触热导降低。对比一阶和二阶超晶格的声子谱，发现二阶超晶格在一阶的基础上引入了更多的声子带隙，可在更大程度上抑制声子的界面输运。.材料导热、导电性能调控方面，以巴基纸为研究对象从杨氏模量、导热系数和电导率角度研究了退火对CNT质量、CNT之间接触的影响，以InAs纳米线为研究对象讨论了硫化对其导热系数和电导率的增强作用，以Ag纳米线为研究对象从电导率角度研究了低能电子束辐照对其造成的损伤。.相关研究成果已发表SCI论文14篇，申请发明专利4项，已毕业博士研究生2名，已毕业硕士研究生2名。