纳米材料热、电输运性能的基底效应与调控

Thermal and electronic transport properties of nanomaterials are crucial to the future development of microelectronics, new energy and other high-tech industries, which have attracted much attention from the scientists worldwide. In the preparation and application of nanomaterials, the substrate-nanomaterial interactions inevitably arise. Recently, both experimental and our theoretical studies show that the substrate has substantial effect on the thermal/electronic transport properties of nanomaterials, and the substrate manipulation effect on thermal/electronic transport properties can overcome the limitations of conventional manipulation methods. However, the research in this area is still in its infancy, and the underlying physical mechanism is still not clear at present. In this project, based on the microscopic transport principles, we will firstly develop new computational methods and codes for the calculation of complex and large nanosystems by combining several computational technologies. Then, starting from C/Si nanosystems, we will study the basic laws of substrate effect on thermal/electronic transport properties of nanomaterials, and explore the underlying physical mechanism. Finally, through both theoretical designs and computational simulations, we will explore the efficient ways to manipulate thermal/electronic transport properties of nanomaterials by the substrate effect. This project will provide a theoretical basis for the design of new high-performance nanodevices.

纳米材料的热、电输运性能直接关系到了微电子、新能源等高新科技产业的发展前途，是全世界科学家关注的焦点。在纳米材料的制备、应用中，其不可避免地会发生与基底的相互作用。最近实验和我们前期理论研究表明基底效应对纳米材料的热、电输运性能影响显著，基于基底效应对纳米材料输运性能的调控可以突破常规调控手段的局限性。然而目前国内外在这方面的研究尚处于起步阶段，人们对其物理机制的认识还不清晰。本项目拟从微观输运理论的基本原理出发，有机结合多种计算方法，发展出能有效计算研究复杂的大纳米体系热、电输运性质的新方法和程序软件；在此基础上，从碳、硅纳米体系入手，研究基底效应对纳米材料热、电输运性能的影响规律，探索其内在物理机制；通过理论设计和计算模拟，利用基底效应调控纳米材料的热、电输运性能。本项目的研究将为新型高性能纳米器件的设计提供理论基础。

随着自然科学及工程制备技术向纳米化迈进，纳米尺度上的热、电输运问题越来越突出，成为左右微纳米器件性能的重要因素，直接关系到了我国以纳米科技为核心的高新产业的发展前途。在纳米材料的应用中，其不可避免地会与基底相互作用，开展基底对纳米材料热、电输运性能影响的研究意义重大。在本项目资助下，我们开展了以下几方面研究：.1. 结合第一性原理计算，构造了有效描述纳米材料与基底材料作用的经验势场，开发了相关热输运计算的分子动力学程序；结合非平衡格林函数方法与基于有限差分的实空间第一性原理密度泛函方法，开发出了适合大体系电子输运计算的程序软件。.2. 系统研究了典型二维纳米材料在各种金属、半导体基底上的几何结构，探索了不同基底与纳米材料间相互作用强度的关联。解释了相关试验观测，预言了新结构。.3. 研究了不同基底材料界面对典型一维、二维纳米材料热输运性质的影响；基于声子散射理论揭示了其基本规律。研究了不同基底材料界面对典型二维纳材料电输运性质的影响，基于电子输运理论探索了其内在机制。.4. 从基底对纳米材料热、电输运性能的基本规律出发，通过遴选基底材料，调控基底与纳米材料间距离的手段，开展了调控纳米材料热、电输运性能的研究。同时开展了结合基底效应与缺陷效应来调控二维纳米材料输运性质的探索。. 研究表明，基底与纳米材料间的作用强度及其对纳米材料热、电输运性质的影响与其表面活性及电负性密切相关。对于表面活性或电负性强的基底材料，其与纳米材料相互作用较强，破坏纳米材料的几何、电子结构，显著影响其输运性能；而对于表面活性和电负性弱的基底材料，其与纳米材料间相互作用弱，不破坏纳米材料的几何、电子结构，其输运性能可以较好保持。此外，通过遴选基底材料以及调控基底与纳米材料间距离可以有效调控纳米材料热、电输运性质。通过基底调控手段，既可使纳米材料的热输运性能可以提升 50% 以上，又可使其降低 5 倍以上；同时也可使纳米材料电输运性能降低 60％ 以上。研究结果为高性能纳米器件的设计提供了理论依据。. 在该项目资助下，我们公开发表 SCI 论文 14 篇，包括 3 篇美国物理评论，相关结果引起国内外同行广泛关注。据 Web of Science 检索，这些论文已被引用 140 余次，其中一篇被评为 ESI 高引论文。资助培养研究生 7 人; 资助 8 人次参加国内外学术会议。