基于石墨烯/硅纳米复合材料研究硅基纳米器件的热输运机理及热管理模式

It is well known that graphene possesses excellent thermal transport properties. However, when graphene is combined with silicon into a composite structure, its thermal properties will be significantly affected by the interface configuration and diffusion transport modes.Therefore, the investigation of how the interface morphology, structural parameters and stress defects affect the thermal transport properties becomes extremely urgent.The kernel of the problem is concerned with the phonon scattering change mechanisms caused by interface, amorphous structure and material components.To realize this aim, a potential function which can accurately describe the interface with mismatch defects should first be built by ab-initial theory. An interface should be rationally built. The compatibility of molecular dynamics method and quantum mechanic method should be solved, and the Boltzmann-Peierls phonon transport equation method and numerical simulation should be reasonlly coupled.In practice, we need to develop a parallel computation software based on the multi-scale coupling algorithm combined with the first principle and molecular dynamics methods.In this case, it is expected to understand the thermal transport mechanisms of the amorphous structure owing to the information concerned with the interface defects generation, migration and interaction among them.To verify the theoretical and numericl results, electron microscope experiments will be conducted, and the thermal transport properties of the structure under different geometries and temperatures can be obtained.Finally, an effectivelly controlable thermal management mode of nano-devices based on the structural parameters, interface morphology and external load conditions will be hopefully realized.

石墨烯具有优异的热输运特性，当其与硅基纳米材料生成复合结构时，因受界面形貌和扩散输运模式的影响，其热输运特性将发生显著变化。因此，对纳米复合材料的界面形貌、结构参数及应力缺陷等对热输运性能的影响的研究日趋迫切。其核心问题是探明界面、无定形结构以及材料组分引发声子散射变化的机理。为此，需用第一性原理方法构建能准确描述存在界面失配缺陷的唯象势函数；合理搭建界面构型；实现分子模拟方法与量子力学的兼容；实现理论求解声子传输方程方法与数值模拟方法相结合；构建基于第一性原理和传统的大体系分子模拟计算的多尺度耦合算法；开发并行计算程序。并与电镜实验作对比，验证理论与数值结果的可靠性；探寻在不同几何结构和温度条件下结构的热输运性能。进而模拟界面缺陷的产生、迁移及相互作用等微观信息；分析无定形结构的热输运机理。最终，构建出由结构参数、界面形貌及外载荷条件等控制纳米器件热输运性能的有效热管理模式。

我们按计划完成了国家自然基金项目并取得了以下主要成果。. 首先，我们应用非平衡态分子动力学探索了石墨烯涂层硅薄膜的热传导特性, 发现石墨烯可增强硅薄膜的热导性能。如Gr/Si/Gr纳米薄膜，在低温度下其热导率随温度上升线性增加。石墨烯的热导率不仅取决于其微缺陷的密度，而且还取决于其微缺陷的形貌。研究结果表明对于随机分布的缺陷，其石墨烯热导率单调递减。相反地，对于规则分布的缺陷，其热导率明显地非单调变化。声子速度的增加可以导致提高微缺陷规则分布石墨烯模型的热导率。声子的离域是提高规则模型热导率的机理。部分声子迁移是导致规则模型热导率非单调降低的原因。以上结论对于各类微纳米器件的热管理具有重要的参考依据和实用价值。. 我们采用基于声子散射理论的Boltzmann-Peierls声子传输方程(BTE)和非平衡态分子动力学模拟方法，研究了氮化硼纳米管(BNNT)的热输运和热力耦合效应性能。结果表明随着拉压应变的增加，BNNT热输运性能均呈降低的趋势。在理论上我们发现了声子模式的变化是决定BNNT热输运性能变化的根本性机理。以上结论可用于指导各类微电子储能器件的设计与制造。. 另外，我们采用多尺度分子模拟方法，探讨了各类缺陷对锂离子电池性能的影响。对于30度部分位错和层错缺陷，它们可阻滞锂离子的迁移，并最终扑获到这些锂离子。因此，对于钠离子电池和镁离子电池来说，一些部分位错可以改善钠镁离子迁移和扩散的速率，从而提高他们的储能能力。. 最后，我们采用第一性原理方法，模拟分析了硅掺杂银基石墨烯可用来检测氢硫化物。在外电场分别达到1.4 和 -0.8 V/Å 时，可解吸和离解硫化氢气体。因此，硅掺杂银基石墨烯有望成为硫化氢以及其它气体探测装置。