發(fā)布時(shí)間：2021-01-21 00:03

　　納米尺度熱傳導(dǎo)是物理科學(xué)、材料科學(xué)和工程熱物理等相關(guān)學(xué)科的研究熱點(diǎn)。除基礎(chǔ)研究上的意義外,這個(gè)方向的研究在微納米器件溫度控制、新能源、熱防護(hù)等重大工程技術(shù)領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用價(jià)值。文章主要介紹一維、二維納米材料（包括納米管、納米線、石墨烯及其他二維材料）的熱傳導(dǎo)性質(zhì)。由于篇幅所限,文章集中討論在低維體系熱傳導(dǎo)中的新奇物理效應(yīng),如碳納米管熱導(dǎo)率隨長(zhǎng)度的發(fā)散行為,硅納米線中的聲子相干性,以及石墨烯熱傳導(dǎo)性質(zhì)的尺寸效應(yīng)。文章側(cè)重強(qiáng)調(diào)低維納米材料熱傳導(dǎo)與宏觀體材料熱傳導(dǎo)特性的本質(zhì)區(qū)別。 

【文章來(lái)源】：物理. 2020,49(10)北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：11 頁(yè)

【部分圖文】：

(a)分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算給出的碳納米管熱導(dǎo)率隨長(zhǎng)度的變化關(guān)系；(b)測(cè)量碳納米管熱導(dǎo)率的“熱橋”平臺(tái)；(c)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的碳納米管熱阻隨長(zhǎng)度的變化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論預(yù)言的指數(shù)發(fā)散符合得很好，而與傅里葉定律給出的依賴關(guān)系差別很大[7,8]

除了碳納米管外，另一個(gè)廣受關(guān)注的一維材料就是納米線。其中，硅納米線由于其與傳統(tǒng)硅基底材料完美的兼容性及許多獨(dú)特而優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，具有廣闊的應(yīng)用前景，也是理論和實(shí)驗(yàn)研究的主要對(duì)象。Volz和Chen在1999年通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算，預(yù)言硅納米線的室溫?zé)釋?dǎo)率比相應(yīng)體硅材料的熱導(dǎo)率(147 W/(m·K))低兩個(gè)數(shù)量級(jí)[10]。這是因?yàn)橐痪S結(jié)構(gòu)的納米線在結(jié)構(gòu)上具有大的表面體積比，可以導(dǎo)致更強(qiáng)烈的表面聲子散射。此外，一維結(jié)構(gòu)引起的聲子振動(dòng)模式的量子限域(quantum confinement)效應(yīng)，導(dǎo)致聲學(xué)支聲子的群速度顯著降低，也引起熱導(dǎo)率的下降。硅納米線的低熱導(dǎo)率隨后被Li等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明[11]。從圖2(a)中可以明顯看出，硅納米線的熱導(dǎo)率—溫度曲線隨著橫截面直徑的減小而降低。除去對(duì)熱導(dǎo)率絕對(duì)值的影響，值得強(qiáng)調(diào)的是，硅納米線熱導(dǎo)率隨溫度的依賴關(guān)系與體硅材料相比，也表現(xiàn)出了本質(zhì)的不同。對(duì)常見的體材料，在低溫區(qū)間，熱導(dǎo)率隨溫度升高而增加，與溫度的三次方成正比(κ∝T3)。達(dá)到某個(gè)最大值后，熱導(dǎo)率隨溫度升高而下降，并與溫度成反比(κ∝T-1)。這是因?yàn)樵诘蜏貐^(qū)間聲子散射較弱，因此熱導(dǎo)率的溫度依賴性與晶格比熱隨溫度的變化相同；在高溫區(qū)間晶格比熱隨溫度變化較小，而三聲子倒逆散射增強(qiáng)，導(dǎo)致聲子平均自由程與溫度成反比下降，也決定了熱導(dǎo)率曲線。對(duì)體硅材料，其熱導(dǎo)率隨溫度的變化完全符合上述分析，最高值出現(xiàn)在25 K附近。然而對(duì)硅納米線，隨著其直徑的減小，熱導(dǎo)率隨溫度變化的峰值向更高溫度的方向移動(dòng)。對(duì)于直徑為22 nm的硅納米線，在所測(cè)量的溫度范圍內(nèi)，其熱導(dǎo)率并沒(méi)有達(dá)到峰值。這是因?yàn)樵诠杓{米線中，除去聲子—聲子間的散射，表面散射也起到重要作用。隨著納米線直徑減小，表面散射的重要性增加，進(jìn)而起到主導(dǎo)作用，導(dǎo)致熱導(dǎo)率峰值向高溫端移動(dòng)。這個(gè)效應(yīng)是可以從常規(guī)的聲子玻爾茲曼輸運(yùn)理論加以解釋的。然而在低溫區(qū)，有更豐富的新效應(yīng)出現(xiàn)。如圖2(b)所示，對(duì)直徑為115 nm和56 nm的硅納米線，低溫區(qū)的熱導(dǎo)率仍然與溫度的三次方成正比(κ∝T3)，然而隨著納米線直徑降低到37 nm，熱導(dǎo)率與溫度平方成正比(κ∝T2)，當(dāng)直徑為22 nm時(shí)，熱導(dǎo)率與溫度成正比(κ∝T)。這是因?yàn)樵谛≈睆郊{米線中，限域效應(yīng)改變了聲子振動(dòng)模式，相應(yīng)改變了晶格比熱隨溫度的依賴關(guān)系，導(dǎo)致了這個(gè)新奇效應(yīng)的出現(xiàn)。因此在直徑小于50 nm的納米線中，嚴(yán)格講，不能再采用體硅材料的晶格動(dòng)力學(xué)參數(shù)。與碳納米管類似，硅納米線中也存在顯著的尺寸效應(yīng)。2010年，Yang、Zhang和Li通過(guò)非平衡分子動(dòng)力學(xué)模擬[12]，證實(shí)了長(zhǎng)達(dá)微米的硅納米線熱導(dǎo)率的尺寸依賴效應(yīng)。分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果揭示，在所研究的長(zhǎng)度范圍內(nèi)(小于1.1μm)，硅納米線的熱導(dǎo)率隨著長(zhǎng)度而不斷增加(κ∝Lβ)，并沒(méi)有收斂到一個(gè)常數(shù)值。值得關(guān)注的是，當(dāng)硅納米線長(zhǎng)度小于60 nm時(shí)，熱導(dǎo)率與長(zhǎng)度呈現(xiàn)線性相關(guān)(β=1)。然而，對(duì)于更長(zhǎng)的硅納米線，其增長(zhǎng)指數(shù)卻減小到0.27。60 nm這一臨界長(zhǎng)度，與其他獨(dú)立研究所預(yù)測(cè)的硅納米線中的聲子平均自由程基本一致。因此當(dāng)硅納米線的長(zhǎng)度低于聲子平均自由程時(shí)，聲子與聲子的散射可以忽略不計(jì)，聲子在硅納米線中基本是彈道輸運(yùn)(β=1)。而當(dāng)硅納米線長(zhǎng)度大于聲子平均自由程時(shí)，聲子與聲子間的散射對(duì)熱導(dǎo)率起主要作用。但是和三維體材料不同，單獨(dú)的聲子與聲子間散射并不能在一維硅納米線中導(dǎo)致擴(kuò)散輸運(yùn)，因而體系中聲子呈現(xiàn)超擴(kuò)散輸運(yùn)(β≈0.3—0.4)。這種反常擴(kuò)散方式也導(dǎo)致了隨尺寸增大而發(fā)散的熱導(dǎo)率。

自2004年曼徹斯特大學(xué)Andre Geim和Konstantin Novoselov從石墨中成功剝離出單原子層的石墨烯(graphene)，二維材料因其獨(dú)特的光、電、力學(xué)以及化學(xué)特性，引起了科學(xué)界及工業(yè)界極大的研究興趣。近些年一些其他的二維層狀材料，如二硫化鉬(Mo S2)、黑磷(black phosphorene)、硼烯(borophene)等也展現(xiàn)了各自的獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)。這些二維晶體材料的導(dǎo)熱性能也在科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域引起了越來(lái)越多的關(guān)注[16,17]。這里我們以石墨烯為重點(diǎn)，介紹二維材料熱傳導(dǎo)中的獨(dú)特性質(zhì)。石墨烯是由碳原子組成的單原子厚度的二維晶體，由碳—碳原子通過(guò)sp2雜化方式互相鍵合形成蜂窩狀晶格網(wǎng)絡(luò)。石墨烯可以通過(guò)不同方式的卷曲/堆積得到富勒烯、碳納米管，或者石墨，因此石墨烯被視為構(gòu)筑其他碳結(jié)構(gòu)的基石。在石墨烯中，每個(gè)碳原子通過(guò)s、px、py軌道的電子與其他相鄰的三個(gè)碳原子形成很強(qiáng)的σ鍵，這種獨(dú)特的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)使石墨烯具有極高的力學(xué)強(qiáng)度。在電學(xué)性質(zhì)方面，石墨烯是一種零帶隙的二維材料，其價(jià)帶和導(dǎo)帶相交于一點(diǎn)(狄拉克點(diǎn))，表現(xiàn)出許多新奇的物理性質(zhì)，包括室溫量子霍爾效應(yīng)、彈道輸運(yùn)、高電子遷移率等。


本文編號(hào)：2990043