自由悬架石墨烯纳米带热量输运性质研究

石墨烯纳米带（GNR）因其优异的电学性能在纳电子器件等领域具有重要的应用价值，由于石墨烯的声子平均自由程大，GNR的热量输运行为表现出特异性。项目旨在系统测量不同长度/宽度/形状/层数的自由悬架的GNR在不同温度下的导热系数，揭示GNR的热量输运规律。项目拟结合微加工和自组装技术，制备可用于测试不受衬底影响的GNR热量输运性质的单元；以GNR本身作为焦耳自加热和电阻测温元件，采用直流稳态法对不同GNR样品在液氮温度至500K的温度区间的面向导热系数进行测试；结合分子动力学模拟计算，研究GNR的长度、宽度、边缘形状、层数以及缺陷等因素对其热量输运性质的影响规律，分析GNR内热量输运的微观机制。这些研究将为石墨烯和GNR相关材料在微纳电子应用中的热设计和热管理提供新的技术途径和必要的应用基础性科学依据，同时将推进纳米尺度薄膜/管/线等材料热物性测试和分析新方法的研究。

石墨烯纳米带（GNR）因其优异的电学性能在纳电子器件等领域具有重要的应用价值，由于石墨烯的声子平均自由程大，GNR的热量输运行为表现出特异性。本研究采用微加工和自组装技术，成功制备出可用于测试不受衬底影响的GNR热量输运性质的单元，测试中以GNR本身作为焦耳自加热和电阻测温元件，采用直流稳态法对单层和数层GNR在不同温度区间的导热系数进行了测试。首次报导了-75～100oC温度范围内GNR导热系数的实验测量结果。发现所测GNR的导热系数随温度的升高逐次升高；由于声子散射，在100 oC附近出现导热系数拐点。首次报道了受聚焦激光剪裁得到的不同GNR的电和热输运性质。发现不同宽度的GNR的导热系数明显比单层石墨烯（SLG）的导热系数高，且随着宽度的降低而增加。和SLG相比，低于-125℃时数层石墨烯（FLG）的导热性能明显优于SLG；在-100～125℃温度范围内，随温度的升高，FLG导热系数逐次升高。采用分子动力学等方法构建了GNR模型，并采用第一性原理对其结构进行了优化，计算其热量输运性质。结果表明，GNR的缺陷、长度、宽度及层数等结构因素对其导热系数的均有影响。发现随着密度的增加，石墨烯的导热系数有逐渐升高的趋势。对于周期性边界，石墨烯导热系数随长度变化而变化，摇椅型和锯齿型GNR的导热系数都随着长度的增加而增加，这是因为GNR中声子的平均自由程很大，长度增加导致了声子输运模的增大，从而提高导热系数。摇椅型GNR的导热系数随宽度增大而增大，而锯齿型GNR的导热系数随宽度增大先增后减，采用声子散射解释了这种机制。完整的GNR中晶格振动是传热的主要方式，电子的贡献率很小；但在缺陷，或不完整的GNR中电子对其导热系数的贡献率大大增加。项目研究按计划顺利进行，圆满完成了各项研究内容，全面达到指标要求。研究成果发表学术论文16篇，其中SCI收录论文10篇；项目负责人担任了第四届国际微纳技术会议的大会主席；项目组成员参加了第十五届国际传热大会、第十届亚洲热物性会议等国际会议，并获邀做特邀报告2次；每年均参加中国工程热物理学会主办的年会，并获邀做主题报告1次；与美国两所大学开展合作研究3人次，发表国际合作论文3篇。本研究为石墨烯相关材料在微纳电子应用中的热设计和热管理提供新的技术途径和必要的应用基础性科学依据，同时推进了纳米尺度薄膜/管/线等材料热物性测试和分析新方法的研究。