石墨烯微片结构特征对其导热性能的影响

The discovery of graphene provides a proper solution for high heat flux cooling problems. The excellent thermal performance is usually manifested in the single layer graphene, and Graphene can also be obtained as a solution of very small flakes. Graphene flakes inherited the excellent thermal performance of single layer grapheme, but different structure characteristics of graphene flakes (e.g., length, number of layers / thickness, aspect ratio, geometry) and defects will strongly affect its internal phonon transport, and further affect its thermal performance. .Our research is explored by theory simulation supplemented by experimental observation, understanding and determining physical effects caused by variations of morphological properties and existence of defects, including the basic phenomena and characteristics, inherent relationship between thermal transport mechanism and structures, thermal physical defects effects. Ultimately, reveal the graphene micro film phonon transmission mechanism on boundary / defect for cooling applications of graphene..

石墨烯的发现为高热流密度散热问题提供了一个解决方案，但问题在于，其优良的导热性能通常是在单层情况下表现出来的，而规模化生产得到的却是单层石墨烯叠加起来的石墨烯微片。虽然研究表明石墨烯微片部分继承了单层石墨烯的优异的导热性能，可不同结构特征（尺寸、层数/厚度、纵横比、几何结构及缺陷的类型和分布）会强烈影响石墨烯微片内部的声子输运，进而影响其导热性能。. 基于此，本研究通过试验观测与表征，提取石墨烯关键结构特征参数构建模型，以模拟计算和理论分析为主，以石墨烯微片的导热为研究对象，针对其不同的结构特征参数对导热的影响，探索石墨烯微片结构特征参数对其导热的作用机理。这是一个具有广阔应用前景的应用基础研究项目，同时申请人拥有充分前期研究成果，依托单位具备良好的工作条件。

调研了目前市场上规模化生产出的石墨烯微片，使用SEM扫描电镜和AFM原子力显微镜对采购到的样品的尺寸、层数/厚度、纵横比、几何结构特征规律等进行表征。得到结论：样品以矩形和菱形居多，尺寸大约在5~10μm，层数多为5~20层之间。以5μm*5μm厚度为10层的石墨烯微片为例，原子的数量大约为4.77*10^9个，显然超出了分子动力学的模拟范围。对于微米尺度我们参考了其他的研究者的研究使用有限元方法模拟微米尺度石墨烯微片导热，但是该方法本身存在局限性只能作为理想情况的近似作为参考，石墨烯微片的导热系数仍然受到结构因素的影响巨大。而关于纳米尺度的石墨烯微片的结构对于导热性能的影响的取得的研究成果目前非常多，在此基础上难以做到突破取得创新的研究成果。.因此将研究方向调整为更加具有创新性和广阔应用前景的：通过改变结构实现纳米尺度的石墨烯中的热流控制。我们的研究发现在特定几何结构特定尺度下的石墨烯可以实现对热流的控制。例如，H形特殊结构的石墨烯微片中在引入热流后，受到结构边界散射的影响，产生了足够多的ZA模式的声子进而产生了由ZA声子组成的类似驻波的频率约为0.3THz的相干振动，将部分热能直接转化为机械振动能，从而实现了对热流的控制，具有广阔的应用前景。尺寸在14.768 nm < L < 40.754 nm 和7.256 nm < W < 17 nm范围内的H形石墨烯结构同样发现了类似的热流引发的相干振动。该研究理论上在纳米尺度实现了热能向机械振动能的直接转化，为纳米动力机械提供了新的可能；同时通过纳米结构调整实现声子产生的热流进行开关及调整，结合热整流现象可以实现基本的逻辑运算，为声子计算机的实现提供了进一步的可能性。