基体表面2D半导体纳米结构热输运机理研究

Deep insight into thermal transport mechanism in the novel 2D conductors on substrate is essential for the thermal design and management of 2D conductor based nanostructures and devices. Experimentally, for graphene-substrate nanostructures, dual-wave femtosecond laser pump-probe and multiharmonics probe systems are used to characterize the in-plane intrinsic thermal conductivity of 2D conductors on substrate and thermal boundary conductance isolated from the intrinsic thermal conductance, and observe the interfacial thermal rectification phenomenon. Theoretically, the contribution of modes to the intrinsic thermal conductivity, thermal boundary conductance and thermal transport mechanism in 2D conductors-substrate nanostructures is investigated with molecular dynamics, phonon Boltzmann transport equation and the nature of phonon wave; the phonon spectrum confined by the phonon wave effect and substrate effect is reconstructed. With the combination of experimental and theoretical research, effort is done to disclose the interaction between different energy carriers in energy exchange and transport processes in 2D conductors-substrate nanostructures. Also work is done to discover the laws of phonon localization, nonequilibrium characteristics and the phenomena of coherence phonon scattering and interfacial thermal rectification, and the relation with the substrate effect. It is expected to provide useful information for the phonon engineering of thermal transport in 2D conductors-substrate nanostructures.

作为新型功能材料，深入理解基体表面2D半导体热输运机理对基于2D半导体的纳米结构、器件的热设计和热管理至关重要。实验上，针对石墨烯-基体纳米结构，采用双波长飞秒激光抽运探测和多次谐波探测系统，对基体表面2D半导体面向自身热导率和界面热导进行实验表征和剥离，研究界面热整流现象和相干声子散射现象。理论上，采用分子动力学、Boltzmann方程和声子波动特性研究基体表面2D半导体自身热导率和界面热导的声子模式贡献，重构受声子波效应、基体效应等约束的声子谱，研究2D半导体-基体纳米结构热输运机理。实验和理论相结合，揭示2D半导体-基体纳米结构能量转换及输运过程中不同载流子之间的相互作用机理，揭示热输运的局域化、非平衡特性以及相干声子散射现象和界面热整流现象受基体效应影响的规律，为调控2D半导体-基体纳米结构热输运特性的声子工程提供实验和理论支持。

作为具有独特电、光和热特性的新型功能材料，2D半导体在微电子、光电子和能源转换等领域有重要应用。深入理解基体表面2D半导体热输运机理对基于2D半导体的纳米结构、器件的热设计和热管理至关重要。实验上，利用飞秒激光抽运-探测系统对石墨烯-基体、二硫化钼-基体界面热导进行测量，研究界面热整流现象。理论上，采用分子动力学、声子玻尔兹曼输运方程等方法研究基体表面2D半导体声子输运特性，重构声子谱。实验和理论相结合，揭示2D半导体-基体纳米结构能量转换及输运过程中不同载流子之间的相互作用机理，揭示热输运的声子局域化、非平衡特性以及界面热整流现象受基体效应影响的规律。在本课题资助下，部分重要结果如下：制备了氮化镓基体上石墨烯、二硫化钼等样品，并利用飞秒激光抽运-探测系统测量其界面热导，结果表明2D材料插入层增强了低频长波声子的贡献；利用分子动力学方法研究了二氧化硅和氮化镓组成的异质结基体上的石墨烯热整流特性，发现了对称石墨烯结构中的热流不对称性；利用分子动力学模拟研究了粗糙纳米柱对砷化镓纳米线热输运的影响，结果表明纳米柱结构引入的微扰增强了声子-表面散射强度，致使声子传输能力显著降低，长波声子输运中断甚至消失，均导致表面声子局域化；采用第一性原理与玻尔兹曼输运方程，对基体表面放置二维材料情况下界面热输运进行了建模和理论预测，基于界面相互作用模型，对石墨烯的色散曲线和态密度进行修正，实现基体表面石墨烯声子谱重构，结果表明石墨烯ZA模式声子受基体效应影响较大，出现了在长波极限处的零点偏移，在基体效应的抑制下极低频的声子模式消失，阻碍了热输运，并将修正后的声子信息输入声子玻尔兹曼输运方程，结果表明石墨烯光学支与声学支之间的非平衡比较强烈，声学支呈现明显的弹道特性。该研究为调控2D半导体-基体纳米结构热输运特性的声子工程提供实验和理论支持。