石墨烯纳米结构中的热整流及整流效率研究

近年来，"声子学"的提出使人们认识到可以像控制电子一样对声子输运进行精确控制。基于"声子学"的热器件在未来有着广泛的应用前景。热整流即不对称单向导热，是所有热器件中对热输运进行控制的一种基本方式和手段。实验上已经在碳纳米管和半导体量子点中观察到了热整流现象，但整流效率很低。而石墨烯由于具备优异的热输运特性被认为是制备高效率热整流器的理想纳米材料，初步研究也证明了这一点。但是，由于目前对石墨烯纳米结构热整流的研究还很少，因此还存在诸多问题需要做系统的分析和深入的探讨。本项目将围绕"石墨烯纳米结构中的热整流现象及其物理机制"和"提高基于石墨烯的热整流器的整流效率"两个核心内容展开研究。通过研究，一方面阐明石墨烯纳米结构中热整流的微观物理机制；另一方面，通过空位缺陷和吸附原子等方式找到进一步提高热整流效率的途径，预言基于石墨烯纳米结构的新型高效热整流器件，为实验制备提供物理模型和理论基础。

近年来，“声子学”的提出使人们认识到可以像控制电子一样对声子输运进行精确控制。基于“声子学”的热器件在未来有着广泛的应用前景。热整流是对热输运进行控制的一种基本方式和手段，也是一种非常有趣的热输运现象。实验上已经在碳纳米管和半导体量子点中观察到了热整流现象，但整流效率很低。而石墨烯由于具备优异的热输运特性被认为是制备高效率热管理和热整流器件的理想纳米材料，初步研究也证明了这一点。但是，对石墨烯及其相关纳米结构热输运和热整流的研究还较少，还存在诸多问题需要做系统的分析和深入的探讨。本项目对低维纳米结构的热整流和热输运现在进行研究，得到了一系列原创性的研究成果。我们系统地研究了石墨烯条带在各种外部因素调控下的热输运和热整流现象，如通过应力、几何结构、尺寸、缺陷、吸附掺杂等作用下来调控石墨烯的热导，得到了石墨烯本征的热输运性质以及各种外部因素对石墨烯热传导的调控规律和机理。我们也研究了石墨烯相关的一些纳米结构如石墨炔、单层过渡金属硫化物、单层六角氮化硼薄膜、硅锥量子点以及它们的复合结构的热输运、热整流和热电效应，发现了一些有趣的热输运现象并基于这些现象提出了各种热管理器件，如热整流器、热电转换器等。另外，我们还研究了石墨烯及其关联结构的电子性质，提出了由石墨烯交叉连接形成的三维石墨烯网络结构，并在其中发现了有趣的拓扑现象和拓扑效应。通过项目组成员四年的努力，取得了一系列的研究成果。到目前为止，在Nano Lett.、Phys. Rev. Lett、Scientific Reports、Carbon、 Phys. Rev. B、Appl. Phys. Lett.、J. Mater. Chem. A、J. Appl. Phys.等国际材料、物理期刊发表SCI论文20多篇。研究成果受到了同行们的广泛关注，其中有一篇文章被Nature China选为研究亮点进行专题报道。因为这些研究成果和前期的研究工作，项目组成员获得了2012年湖南省自然科学奖一等奖。同时，项目负责人于2012年9月至2013年12月到美国伦斯勒理工学院进行了一年多的学术交流和访问，受益匪浅，另外多次应邀参加国际会议和国内会议。培养博士研究生1人，硕士研究生6人。