石墨烯体系界面接触热传导性质的理论研究

Graphenes have recently elicited much interest for their extraordinary properties. Extremely high in-plane thermal conductivity has been observed in graphenes, which has potential use in many applications, such as temperature control and management in nano devices. When graphene and semiconductor (or metal) come in contact, there exists a temperature drop at the interface between the two surfaces in contact. This phenomenon is a result of the thermal contact resistance existing between the contacting surfaces. This is an important factor in applications, such as thermal control in nanoscale. In nanoscale, heat transfer is determined by the transport of energy carriers: phonons and electrons. For graphene, phonons are the primary energy carriers at room temperature and electronic thermal conductance can be ignored. While phonon thermal conduction in pristine graphene has been previously studied, no such work has been reported on graphene-semiconductor (or metal) interfaces..In this project, we will theoretically study the thermal contact conduction in graphene based systems, includes: (1) By using molecular dynamics simulation to study thermal contact resistance between graphene and semiconductors. Combine with lattice dynamics simulation, to investigate the physical mechanism of thermal contact resistance between graphene and semiconductor. (2) Design link material to reduce the thermal contact resistance between graphene and semiconductor. (3) Study the impacts of imperfect interface, interface chemical bonds, doping and defect on thermal contact resistance between graphene and semiconductor, provide design rule to enhance the thermal conduction of graphene based system. (4) Explore the thermal contact resistance between graphene and metals. From this project, we can have a deep understanding on the physical mechanism of nanoscale thermal contact conductance. On this basis, we will provide theoretical support for graphene based nano device design, includes nano electronics, photonics and energy devices.

在本项目中，我们将从理论和计算模拟两个方面开展石墨烯体系界面接触热传导性质的系统研究，具体的研究内容包括：（1）利用分子动力学模拟研究石墨烯纳米带与半导体材料间的接触热阻。结合晶格动力学计算，揭示纳米尺度界面接触热传导的特有物理机制。（2）设计适当链接材料以降低石墨烯与半导体材料的界面接触热阻，获得高稳定性、低界面热阻的解决方案。（3）系统研究非理想界面、界面成键密度、掺杂、结构缺陷等因素对石墨烯与半导体界面接触热传导性质的影响。通过对计算结果的综合系统分析，提出降低界面接触热阻，提高石墨烯体系热传导能力的方案。（4）探索石墨烯与金属材料间的界面接触热阻。本项目拟通过以上的研究，深入理解纳米尺度界面接触热阻的物理特性。在物理机制研究的基础上，为基于石墨烯的纳米功能器件设计提供直接的理论支持。本项目的成功将为纳米尺度热传导理论以及纳米信息、能源功能器件中的热控制做出贡献。

本项目严格按照研究计划执行。本项目的预期研究目标包括：（1）低维纳米材料界面接触热阻的物理机制。（2）设计适当链接材料以降低石墨烯与半导体材料的界面接触热阻。（3）为基于石墨烯的纳米功能器件设计提供直接的理论支持。上述研究目标均顺利完成。具体完成情况包括：（1）应用分子动力学计算结合晶格动力学，研究了不同因素对石墨烯纳米带热导率的影响，包括宽度，长度，同位素掺杂及内部应力的效应，并深入分析了其中的物理机制。这项工作对理解一维及二维体系声子工程，进而调控热导率有着重要意义。（2）研究了石墨烯与体材料的接触热阻。我们发现，对理想的单层石墨烯，其中的温度显示理想的线性分布。而当石墨烯两端置于衬底上时，在悬空区与非悬空石墨烯部分间出现明显的温度跳变，而温度跳变的大小随石墨烯与衬底间相互作用的增加而显著增强。这种温度跃变伴随着热流密度的降低。这是导致实际应用中石墨烯热导率低于理想条件的一个主要因素。对于常用的二氧化硅衬底，石墨烯与衬底间的相互作用可导致石墨烯中承载的热流密度仅为理想单层石墨烯中的20%。这项工作揭示了衬底-石墨烯相互作用对石墨烯中热导率的重要影响，为石墨烯材料在纳米尺度温度控制中的应用提供了设计依据。（3）从理论上提出了基于石墨烯复合材料的热整流器件的设计方案。我们与北京大学邹如强实验组及清华大学任天令实验组合作，首次在实验上实现了基于石墨烯复合材料的热整流器件。热整流效率Rectification ratio可以达到160%。我们还研究了相变材料填充率及工作温度对热整流效率的影响。实验结果完全验证了我们的理论预测。.在预期研究目标外，我们还研究了拓扑绝缘体纳米结构的热导率。我们详细研究了拓扑绝缘体纳米线和纳米薄膜的热导率，并提出应用应力来调控热导率及局域热流密度的方法。.在项目的支持下，我们共发表17篇论文，其中SCI论文15篇。受邀为Pan Stanford出版社编辑出版题为“Nanoscale Energy Transport and Harvesting: A Computational Study”的专著。项目经费使用情况完全按照预算进行。