基于二氧化钒单畴相变特性的近场界面传热和热能调控研究

Heat transfer and thermal control at micro/nanoscale are significantly important in heat management of modern micro-nano devices and research on novel thermal applications by developing phononic devices. However, the lack of effective measurement methods of heat flow at nanoscale largely limits the understanding of near-field heat transfer and developments of phononic devices. Combined with the laser-probe technique, this project aims at developing a novel method for near field heat flow measurement, according to the "nano-power/thermometer label" based on vanadium dioxide's single-domain phase transition. A near-field heat-flow-measurement platform will be built to investigate the heat transfer process at solid-solid interfaces at nanoscale. The impacts of interfacial roughness and contact pressure on interfacial heat transfer will be investigated individually or simultaneously. New physics during the near-field heat transfer will also be explored. On top of this, new ways for interfacial heat transfer enhancement will be studied based on two-dimensional materials like graphene, while microscopic mechanisms will be revealed to find new approaches for heat transfer enhancements at macro-scale. Meanwhile, phononic thermal-control devices based on vanadium dioxide's phase transitions will be also studied, physical mechanisms will be elucidated, and designs of devices with extremely high thermal-control efficiency will be discussed. Aforementioned research will provide both theoretical and practical fundamentals for heat managements in nano-devices and investigations on novel heat energy applications.

微纳尺度下传热和热能调控对现代微纳器件热管理、发展声子器件进行新型热能应用研究至关重要。然而缺乏有效在纳米尺度下测量热流的方法限制了人们对近场传热的理解和声子器件的研发。本项目拟结合激光探针技术，基于二氧化钒单畴相变的“纳米功率计/纳米温度标签”，发展独特的近场热流测量新方法。据此构建近场热流测量平台，研究在纳米尺度下固固接触界面热输运过程，考察界面粗糙度, 接触界面压力及其耦合情况下对界面传热的影响，探索近场传热过程新的物理规律；在此基础上，探索基于石墨烯等二维材料的界面传热增强新途径并揭示其微观机制，以期获得宏观上增强传热的新方法。同时研究基于二氧化钒相变的声子热能调控器件，阐明其物理机制并探索获得高效热能调控器件的设计思路。以上研究将为纳米器件热管理和新型热能应用研究提供理论和实践基础。

微纳尺度下传热和热能调控对现代微纳器件热管理、发展声子器件进行新型热能应用研究至关重要。然而缺乏有效在纳米尺度下测量热流的方法限制了人们对近场传热的理解和声子器件的研发。针对以上情况，我们开展了以下研究：首先，我们基于二氧化钒单畴相变，结合激光探针技术，开发出简单有效的对单个纳米结构中热流及其与其他固体接触界面热导定量测量方法。其次，我们研究界面粗糙度对界面传热的影响，发现了在纳米尺度下固固接触界面传热新的物理规律，即随着粗糙度变大，接触热导的不确定性越来越大。此外，我们在此基础上探索出了二维材料石墨烯作为优异热界面材料对传热性能提升的微观机制，获得宏观上界面传热400%以上的增强。最后我们完成了基于二氧化钒相变的热能调控器件的制作与研究，研究发现弯曲应力能够可逆调节热导率到140%，不可逆调节热导率最高到165%。我们对可能的工作机制进行了讨论并提出通过弯曲形变进行极大热能调控效率的器件设计。此外，我们也拓展了研究的内容范围。如我们用水热法制备晶圆级别二氧化钒纳米线阵列；实现了二氧化钒单晶室温稳定相的选择性生长和空间梯度相变调节，首次提出并发展了异步相变器件-单晶驱动器的家族。此外我们实现了柔性机器人制备通用平台的构建，通过激光切割实现多种仿生昆虫机器人的制造。我们也拓展了二氧化钒在THZ器件以及智能窗等方面的探索研究。总之，我们发展独特的近场热流测量新方法，构建近场热流测量平台。研究了在纳米尺度下固固接触界面热输运过程，探索出了近场传热过程新的物理规律；探索出基于石墨烯等二维材料的界面传热增强新途径并揭示了其微观机制，指出通过二维材料改善界面热导，可以有效实现宏观上传热增强。我们也进一步研究基于二氧化钒相变的声子热能调控器件，讨论了其物理机制并探索出获得高效热能调控器件的设计思路。以上研究将为纳米器件热管理和新型热能应用研究提供理论和实践基础。