低维碳基复合纳米结构热机械应变耦合机理的理论与实验研究

Thermal and mechanical strains are inevitable in the process of fabrication and operation of micro-nano electronic devices. Studies on the coupling mechanism of thermal and mechanical strains in carbon nanotube and graphene are mainly focused on isolated ones with free boundaries, which is not helpful to the design and manufacture of carbon-based composite nanostructures in carbon-based micro-nano electronic devices.The coupling mechanism of thermal and mechanical strains in low-dimensional carbon-based composite nanostructures will be investigated by using computer simulation and Raman spectroscopy technique. By comparing with the results from the coupling relation of thermal and mechanical strains in carbon nanotube and graphene with fixed boundaries, the effects of substrates on the coupling of thermal and mechanical strains in low-dimensional carbon nano-materials. By studying the difference in changes in the coupling of thermal and mechanical strains in carbon-based nano-materials induced by the line contact between quasi-one dimensional carbon nanotube and substrate, and the surface contact between two dimensional graphene and substrate, factors influencing the coupling of thermal and mechanical strains in carbon nanotube and graphene will be explored.By summerizing the simulation results and experimental data, the changing discipline of the coulpling of thermal and mechanical strains in low-dimensional carbon-based composite nanostructures will be analyzed, and the theoretical model describing the coupling mechanism of thermal and mechanical strains in low-dimensional carbon nano-materials will be developed, which provides the experimental data and theoretical basis for the mechanical and thermal design of carbon-based micro-nano electronic devices in engineering applications.

微纳电子器件的制造和操作过程中，热机械应变是不可避免的。关于碳纳米管和石墨烯热机械应变耦合机理的研究主要集中在其自由孤立本体上，这不利于碳基微纳电子器件中碳基复合纳米结构的设计与制造。本项目将采用计算机模拟和拉曼光谱技术，研究低维碳基复合纳米结构中的热机械应变耦合机理。通过与受限状态下碳纳米管和石墨烯热机械应变耦合关系研究结果的比较，探求基底对低维碳纳米材料热机械应变耦合规律的影响；通过比较准一维碳纳米管与基底间线接触和二维石墨烯与基底间面接触引起碳基纳米材料热机械应变耦合规律的改变，探讨影响碳纳米管和石墨烯热机械应变耦合机理的主要因素。最后，综合计算机模拟结果和实验测试数据，分析低维碳基复合纳米结构中的热机械应变耦合的变化规律，发展描述低维碳纳米材料热机械应变耦合机理的理论模型，为碳基微纳米电子器件在工程应用中的机械设计和热设计提供实验数据和理论依据。

微纳电子器件的制造和操作过程中，热机械应变是不可避免的。本项目将采用计算机模拟和拉曼光谱技术，研究低维碳基复合纳米结构中的热机械应变耦合机理。通过与受限状态下碳纳米管和石墨烯热机械应变耦合关系研究结果的比较，探求基底对低维碳纳米材料热机械应变耦合规律的影响；通过比较准一维碳纳米管与基底间线接触和二维石墨烯与基底间面接触引起碳基纳米材料热机械应变耦合规律的改变，探讨影响碳纳米管和石墨烯热机械应变耦合机理的主要因素。最后，综合计算机模拟结果和实验测试数据，分析低维碳基复合纳米结构中的热机械应变耦合的变化规律，发展描述低维碳纳米材料热机械应变耦合机理的理论模型。.项目组采用计算机模拟理论计算方法和飞秒激光及拉曼光谱技术，研究外加机械应变和基底存在时，石墨烯热学性能的变化情况，取得了较大的进展和创新性成果。主要有以下几点：.1、采用经典分子动力学方法完成了机械应变对自由石墨烯导热系数影响的分子动力学模拟，发现机械应变会影响到石墨烯的导热系数，同时发现自由状态石墨烯存在热变形。对石墨烯悬置在硅基底上的模拟结果显示，基底存在会降低石墨烯面内的导热系数，减小程度受石墨烯与基底间间距大小影响。.2、晶格动力学方法计算表明，双层石墨烯层间耦合作用仅改变法向声子色散关系，面向声子色散关系基本不受层间耦合作用的影响。经典分子动力学方法计算表明，层数的增加和层间耦合作用的增强都会降低其切向热导率的大小。通过计算石墨法向热导率的累积函数表明，传统观点严重低估了石墨法向声子平均自由程的大小。平均自由程大于100 纳米的声子在室温下对法向热导率的贡献约为40％。.3、搭建了飞秒激光瞬态热反射法测量平台，测量了Al/graphene/Si 和Al/graphene/SiO2/Si 的界面热导。研究发现，对于Al 和Si 之间的界面，石墨烯在不同的金属沉积方法中起的作用不同；而对于Al 和SiO2 之间的界面，石墨烯的作用相同。.4、搭建了非接触光热拉曼技术测试平台，研究发现，氧等离子体处理过石墨烯中出现的羰基对会导致石墨烯导热系数的急剧下降，即0.1％的缺陷会导致纯净石墨烯的导热系数降低83％。.项目的计算机模拟结果和实验测试数据，可为实际工程应用中基于石墨烯的复合纳米结构中的结构设计和热设计提供实验数据和理论指导。