界面效应对纳米材料热传导影响机理的研究

The heat conduction properties of nanostructured materials have been attracting increasing attention in recent years, because it is important for the development of energy conversion applications, the thermal management of microelectronic and optoelectronic devices. Considering that the nanomaterials are always supported or surrounded by other nanomaterials, it is necessary to investigate interface effects on heat conduction through nanomaterials. Recently, there have been reports on the interface effect on heat transport of nanomaterials, but conflicting conclusions exist in the previous research and a comprehensive theoretical explanation is still lacking. In this project, we conduct studies on heat conduction through supported graphene (plane contact), single-walled carbon nanotube (line contact), carbon nanoparticles (point contact) on SiO2 substrate, respectively. We employ the molecular dynamics simulation to explore the effect of different interface forms on heat conduction properties of nanomaterials, and analyse the phonon transport progress by phonon spectral energy density and density of state methods. Combined with the experiment, we further verify the interface effect on thermal transfer of nanomaterials. The project aims at comprehensively revealing the physical mechanism of interface effect on heat conduction through nanomaterials, and providing the theoretical and experimental basis for improving thermal conductivity of nanomaterials and optimizing the structure of thermal devices.

近年来，纳米材料的热传导特性研究受到了人们广泛的关注，因为其在能量转换应用和微电子及光电设备的热调控等方面具有非常重要的意义。考虑到在实际应用中，纳米材料总是不可避免地与其它材料相接触，因此研究界面对纳米材料热传导的影响十分必要。目前虽然已有一些研究对界面效应对纳米材料热传导的影响进行了报道，但研究结果仍然存在争议，理论解释尚未完善。本项目将分别对二氧化硅支撑的石墨烯（面接触）、单臂碳纳米管（线接触）及碳纳米颗粒（点接触）三种界面形式的纳米结构的热传导过程为研究对象。采用分子动力学模拟找到不同界面形式对纳米材料热传导特性的影响规律，结合声子谱能量密度、声子态密度等方法分析纳米材料的声子输运过程，并结合实验探究来验证界面作用对纳米材料热传导的影响。本项目旨在揭示界面作用对纳米材料热传导过程影响的物理机制，为改善纳米材料的导热性能及优化热器件的结构提供理论和实验依据。

纳米材料具有非常高的热导率，因而被广泛用于微电子器件中，但随着微电子器件的不断缩小，实际应用中纳米材料的尺寸越来越趋向于微纳尺寸，其热导率会受到很大影响。并且实际应用中纳米材料总是被环境材料所支撑，产生的界面作用对其热导率也有重要影响。而石墨烯作为典型的具有超高热导率的纳米材料，很有必要对悬架石墨烯以及有基底支撑石墨烯的导热特性进行研究。主要研究内容及结论总结如下：. 1.系统地研究了悬架单层石墨烯热传导的尺寸效应。本文采用方形石墨烯模型，同时改变每个维度上热导率的尺寸，并考虑了一维的两种极限情况，即无限宽和非常窄的石墨烯模型，运用非平衡分子动力学模拟计算研究了尺寸对石墨烯热导率的影响。研究发现三种石墨烯模型热导率都随着系统长度的增加而增加，其中无限宽石墨烯模型的热导率远高于其他两种模型，而窄石墨烯模型热导率最小，说明了石墨烯热导率敏感地依赖于其长度和宽度。通过进一步计算在大尺寸下石墨烯的热导率随长度和宽度的变化，发现热导率均会达到一个收敛值。结合声子输运分析详细阐述了其中的物理机制。. 2.实际应用中纳米材料通常有基底支撑，因此进一步研究了基底支撑石墨烯的热传导特性。同样运用分子动力学模拟研究了硅基底支撑石墨烯热导率的尺寸效应，与悬架石墨烯情况进行了对比研究。研究发现有基底支撑后，石墨烯热导率降低，与悬架石墨烯情况相比，呈现出较弱的尺寸效应。这是因为石墨烯与基底连接后，一方面声子模式向高频方向移动（声子蓝移），另一方面引入了额外的声子散射，导致声子寿命降低，从而热导率明显下降，导致有基底支撑石墨烯的尺寸效应受到抑制。此外我们计算了界面强度对石墨烯热导率的影响，发现随着界面强度的增加，热导率呈单调下降趋势。因为界面强度增加会导致更强的声子蓝移以及界面声子散射的出现。. 本项目旨在揭示界面作用对纳米材料热传导过程影响的物理机制，为改善纳米材料的导热性能及优化热器件的结构提供理论依据。