利用摺疊石墨烯實現的可調熱阻器

最新 07-08

CMOS2017 專題一研討會「微納米尺度傳熱」

報告講稿

納米傳熱實驗室簡介：

本實驗室隸屬於華中科技大學能源與動力工程學院。我們的研究專註於納米尺度的能量轉換和熱能的管理。

繼電子學光子學之後,目前聲子學和聲子器件的研究進展備受關注。聲子學的研究對象包括熱電材料、熱二極體、熱斗蓬和熱超構材料等。熱電材料能夠實現能量從熱能到電能的直接轉化，可以將工業生產和日常生活中大量的廢棄熱能變為有用的電能，從而應對能源替代的問題。研究熱電材料的關鍵是如何提高納米熱電材料的能量轉換效率，即熱電材料的性能參數zT。理想的熱電材料需要具有很低的熱導率和高的電導率。因此我們關注研究具有極低熱導率的納米材料。

目前本課題組研究具有納米結構的半導體材料（硅納米線、納米結構硅聲子晶體和石墨烯納米帶等）。通過納米機構特有的聲子調控機制，例如摺疊、彎曲等，他們的熱導率不僅遠低於傳統體塊材料，而且電學特性基本接近體塊材料。因此他們的熱電轉換效率會接近甚至高於傳統體塊材料，加之成本低廉，非常適合大規模產業化。

此外，隨著微電子領域熱耗散問題越來越重要。本課題組同時也關注影響熱耗散的微、納尺度電子器件的界面熱阻問題。

另外，太陽能海水淡化也是我們的關注熱點之一。眾所周知，水是人類生活的必需，因此，海水淡化作為人類目前獲取水資源的一個重要途徑，在許多領域變得非常重要。而將太陽能這種清潔可再生能源用于海水淡化無疑是十分可取的。

引言

對聲子輸運的詳細了解使得人們能夠基於電子器件，例如熱二極體、熱晶體管、熱邏輯門等，來操控納米尺度下的熱流以及設計聲子器件。在電子電路的大量應用中，能夠動態改變電負載的可變電阻（電位器）起著至關重要的作用。與動態可調電阻器相應的熱器件-熱的變阻器同樣也是熱迴路中必不可少的，然而，該研究仍處於空白。

可調電阻器設計的基本要求是簡單的電阻位置關係，例如線性特性，即電阻與兩個觸點之間的距離呈線性關係。與可調電阻器相類比，可調熱阻器也應該滿足熱阻線性變化的特徵。為了得到具有線性變化特徵的熱阻，可以預測備選材料的熱阻應對某種易控參數具有線性依賴性。最近，科學家們研究表明，控制石墨烯的形態，可以很大程度調控石墨烯輸運特性，為其在電學和熱學輸運的應用創造了更大的可能性。同時，基於石墨烯的納米器件具有高靈活性，因此改變其形狀（例如摺疊）是可行的。近期的研究表明可以利用摺疊來調控石墨烯納米帶的電學，熱學和力學性能。尤其是可以通過摺疊的數目來調節熱導率。眾所周知，尺寸效應是納米結構中的重要問題。但是先前的研究大多關注有限尺寸的石墨烯納米帶。最近，實驗研究表明摺疊和展開大面積單層石墨烯片具有可逆性，這使得在平整的石墨烯中產生一定數量的摺疊，或者消除已摺疊的石墨烯中的褶皺成為可能。

在本文中，我們基於聲子彎折效應設計了瞬時可調熱阻器。同時我們研究了摺疊石墨烯不同形狀參數對熱阻率的影響。此外，還提出了新的聲子散射機制，即聲子彎折散射。最後探究了摺疊石墨烯中聲子彎折散射效應的物理機制。

成果簡介

本文設計了一種基於摺疊石墨烯的瞬時可調熱阻器。通過理論分析和分子動力學模擬，研究了聲子彎折散射效應以及熱阻率對總長度和相鄰摺疊之間的距離的依賴關係。此外，本文還探討了在實驗中實現瞬時可調熱阻器的可能性。本文通過調整基本結構參數，為設計可調熱阻器以及了解二維材料的熱調製提供了新的見解。

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