石墨纳米回路的热输运

刻蚀极限线宽和散热是制约目前基于硅的微纳电路进一步发展的两个最大瓶颈。石墨片的出现使得微纳电路进一步小型化成为可能，人们预言基于石墨片的电子工艺将取代硅工艺。但是目前对石墨纳米回路散热能力的研究还没有展开，基于石墨片的纳米回路是否有足够的热输运能力使石墨纳米器件正常工作？这就成为了将来石墨纳米回路能否实际制备成功并产业化的重要问题。在本项目中，我们通过对构成石墨纳米回路的基本单元如两终端的纳米结、多终端纳米结和简单石墨纳米回路热输运性质的研究，一方面阐明石墨纳米结构中热输运的物理本质，建立声子输运的微观模型；另一方面考察石墨纳米回路的热输运能力，提出具有高热导的石墨纳米器件，为真实石墨纳米回路的制备提供理论基础和物理模型。

石墨烯的优良性能使得微纳电路进一步小型化成为可能，人们预言基于石墨烯的电子工艺将取代硅工艺。但是石墨纳米回路散热能力的研究还没有展开。在本项目中，通过使用第一原理、分子动力学和格林函数方法，我们对构成石墨纳米回路的基本单元的热输运性质以及相关纳米结构的热、电性质进行了研究。首先研究了由锯齿型或扶手椅型边界石墨纳米带连接而成的两终端纳米结构的热输运性质；然后研究了多终端石墨纳米结如T型石墨纳米结的热输运，发现了非常有趣的热整流现象；也对石墨烯折叠后的复杂的热输运回路进行了研究，提出了可以作为热控制器的热器件。经过课题组所有成员的共同努力，取得了一定的科研成果。到目前为止，在J. Mater. Chem. A、Appl. Phys. Lett.、Appl. Phys. Express、Phys. Rev. B等国际核心期刊发表SCI论文19篇，发表的文章被Materials Today、Nanoscale、Appl. Phys. Lett.、Phys. Rev. B等杂志多次引用，其中1篇论文被Nature china选为研究亮点进行了专题报道，1篇被选为杂志J. Phys. D：Appl. Phys. 的封面。项目负责人应邀参加了2012年意大利国际理论物理中心举办的国际会议“Advanced Workshop on Energy Transport in Low-Dimensional Systems: Achievements and Mysteries”。另外，项目负责人和项目参与人共同获得了2012年湖南省自然科学奖一等奖、湖南省自然科学优秀论文一等奖等奖励。培养博士研究生1名，硕士研究生6名。