石墨烯热整流器设计与机理研究

发布时间：2017-05-24 06:01

  本文关键词：石墨烯热整流器设计与机理研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着电子信息技术的快速发展,电子器件的功能越来越强,芯片的集成度越来越高,热失效成为其最主要的失效形式。石墨烯具有优秀的电学、热学、力学、光学性能,能有效解决芯片的热失效问题,并在热能控制、微传感器等领域发挥巨大作用。近年来很多研究者在对石墨烯热特性研究时意外发现,石墨烯中存在着热整流现象,这将在热能的控制管理、微纳器件设计、信息传递等方面产生重大的意义,石墨烯热整流方面的研究也成为一个重要研究课题。本文通过缺陷、掺杂以及不同夹角的形式构造了多种石墨烯纳米带热整流器件模型,并通过分子动力学模拟方法研究了其热导率、热整流特性。主要工作如下:(1)构建了三角形缺陷氮掺杂石墨烯纳米带,研究了缺陷周围氮掺杂浓度和模拟温度对热导率和热整流的影响。结果表明:三角形缺陷的出现会使石墨烯纳米带热导率大大降低,而缺陷周围0.85%氮掺杂能有效改进其导热特性,使热导率出现较大幅度的增加,继续增大氮掺杂浓度热导率开始出现缓慢下降的趋势。从不同氮掺杂浓度下温度对热导率影响曲线中发现,氮掺杂浓度越高,温度对热导率的影响越小。石墨烯纳米带上三角形缺陷的引入会使热整流效率达到10%以上,0.85%的氮掺杂会使热整流效率降低很多,继续增加氮掺杂浓度,热整流值开始有变大的趋势,在这方面热整流的变化趋势跟热导率的变化趋势刚好相反。(2)构建了带有夹角的石墨烯纳米带,研究了不同夹角下其热导率和热整流的变化趋势,并重点研究了120°夹角石墨烯纳米带模拟温度对热导率和热整流的影响。结果表明:在石墨烯纳米带中随着夹角的出现并增大,热导率先是出现明显的下降,接着下降速度变缓并下降到最低点,之后是微小的波动。热整流随着夹角的增大是先增大再减小,在120°夹角时达到最大。对于120°夹角的石墨烯纳米带,模拟温度对热整流的影响较大,随着模拟温度升高,热整流效率显著降低。(3)研究了120°夹角石墨烯纳米带各臂宽度差、长度差以及边缘氢化和边缘氮化对热导率和热整流的影响。结果表明:宽度差和长度差都会降低120°夹角石墨烯纳米带的热导率,但宽度差的影响更大些。宽度差对热整流效率有很大的提升作用,最大值可达到110.4%,长度差对热整流的作用不大,且会使热整流降低。边缘氢化和边缘氮化对热导率随温度的变化趋势影响并不大,对整体热导率影响较大。边缘氢化后整体热导率降低超过20%,而边缘氮化会使热导率大幅提升,提升超过70%。以上研究结果为石墨烯在微纳电子器件制造及热管理和热控制方面提供一定的参考价值。
【关键词】：石墨烯纳米带 分子动力学 热导率 热整流 三角形缺陷 氮掺杂 夹角
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM461
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-19
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 纳米尺度传热学简介13-14
• 1.3 石墨烯热传导研究现状14-15
• 1.4 石墨烯热整流特性的研究现状15-16
• 1.5 本文的主要框架16-18
• 1.6 本章小结18-19
• 第二章 分子动力学方法介绍19-32
• 2.1 前言19
• 2.2 分子动力学简介19-26
• 2.2.1 分子动力学的基本原理20
• 2.2.2 原子间势函数20-23
• 2.2.3 运动方程的解法23-24
• 2.2.4 模拟系综与系综控制24-25
• 2.2.5 周期性边界条件25-26
• 2.3 分子动力学热导率计算方法26-29
• 2.3.1 平衡态分子动力学模拟方法EMD27
• 2.3.2 非平衡态分子动力学方法(NEMD)27-29
• 2.4 热导率的量子修正29
• 2.5 声子态密度的计算及意义29-30
• 2.6 计算软件和模拟流程30-31
• 2.7 本章小结31-32
• 第三章 三角形缺陷下氮掺杂石墨烯热特性研究32-43
• 3.1 前言32
• 3.2 模型构建32-33
• 3.3 模拟过程33-35
• 3.4 结果与讨论35-41
• 3.4.1 热导率的量子修正35
• 3.4.2 氮掺杂浓度对三角形缺陷石墨烯纳米带热导率的影响35-37
• 3.4.3 模拟温度对热导率的影响37-38
• 3.4.4 三角形缺陷下氮掺杂石墨烯纳米带热整流效率38-39
• 3.4.5 声子态密度分析39-41
• 3.5 本章小结41-43
• 第四章 夹角对石墨烯热特性影响研究43-51
• 4.1 前言43
• 4.2 模型构建43-44
• 4.3 模拟过程44-45
• 4.4 结果与讨论45-49
• 4.4.1 热导率的量子修正45
• 4.4.2 石墨烯纳米带中夹角对热导率的影响45-46
• 4.4.3 不同夹角下石墨烯纳米带的热整流效率46-47
• 4.4.4 模拟温度对石墨烯纳米带影响47-48
• 4.4.5 声子态密度分析48-49
• 4.5 本章小结49-51
• 第五章 120度夹角石墨烯中的热特性研究51-61
• 5.1 前言51
• 5.2 模型构建51-52
• 5.3 模拟过程52-53
• 5.4 结果与讨论53-59
• 5.4.1 热导率的量子修正53
• 5.4.2 宽度差对热导率和热整流的影响53-55
• 5.4.3 长度差对热导率和热整流的影响55-57
• 5.4.4 边缘氢化和边缘氮化对热导率热整流的影响57-58
• 5.4.5 声子态密度分析58-59
• 5.5 本章小结59-61
• 第六章 总结与展望61-63
• 6.1 总结61-62
• 6.2 展望62-63
• 参考文献63-70
• 致谢70-71
• 作者在攻读硕士期间发表的科研成果71

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