發(fā)布時(shí)間：2017-05-24 06:01

  本文關(guān)鍵詞：石墨烯熱整流器設(shè)計(jì)與機(jī)理研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展,電子器件的功能越來越強(qiáng),芯片的集成度越來越高,熱失效成為其最主要的失效形式。石墨烯具有優(yōu)秀的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、光學(xué)性能,能有效解決芯片的熱失效問題,并在熱能控制、微傳感器等領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。近年來很多研究者在對(duì)石墨烯熱特性研究時(shí)意外發(fā)現(xiàn),石墨烯中存在著熱整流現(xiàn)象,這將在熱能的控制管理、微納器件設(shè)計(jì)、信息傳遞等方面產(chǎn)生重大的意義,石墨烯熱整流方面的研究也成為一個(gè)重要研究課題。本文通過缺陷、摻雜以及不同夾角的形式構(gòu)造了多種石墨烯納米帶熱整流器件模型,并通過分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了其熱導(dǎo)率、熱整流特性。主要工作如下:(1)構(gòu)建了三角形缺陷氮摻雜石墨烯納米帶,研究了缺陷周圍氮摻雜濃度和模擬溫度對(duì)熱導(dǎo)率和熱整流的影響。結(jié)果表明:三角形缺陷的出現(xiàn)會(huì)使石墨烯納米帶熱導(dǎo)率大大降低,而缺陷周圍0.85%氮摻雜能有效改進(jìn)其導(dǎo)熱特性,使熱導(dǎo)率出現(xiàn)較大幅度的增加,繼續(xù)增大氮摻雜濃度熱導(dǎo)率開始出現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)。從不同氮摻雜濃度下溫度對(duì)熱導(dǎo)率影響曲線中發(fā)現(xiàn),氮摻雜濃度越高,溫度對(duì)熱導(dǎo)率的影響越小。石墨烯納米帶上三角形缺陷的引入會(huì)使熱整流效率達(dá)到10%以上,0.85%的氮摻雜會(huì)使熱整流效率降低很多,繼續(xù)增加氮摻雜濃度,熱整流值開始有變大的趨勢(shì),在這方面熱整流的變化趨勢(shì)跟熱導(dǎo)率的變化趨勢(shì)剛好相反。(2)構(gòu)建了帶有夾角的石墨烯納米帶,研究了不同夾角下其熱導(dǎo)率和熱整流的變化趨勢(shì),并重點(diǎn)研究了120°夾角石墨烯納米帶模擬溫度對(duì)熱導(dǎo)率和熱整流的影響。結(jié)果表明:在石墨烯納米帶中隨著夾角的出現(xiàn)并增大,熱導(dǎo)率先是出現(xiàn)明顯的下降,接著下降速度變緩并下降到最低點(diǎn),之后是微小的波動(dòng)。熱整流隨著夾角的增大是先增大再減小,在120°夾角時(shí)達(dá)到最大。對(duì)于120°夾角的石墨烯納米帶,模擬溫度對(duì)熱整流的影響較大,隨著模擬溫度升高,熱整流效率顯著降低。(3)研究了120°夾角石墨烯納米帶各臂寬度差、長(zhǎng)度差以及邊緣氫化和邊緣氮化對(duì)熱導(dǎo)率和熱整流的影響。結(jié)果表明:寬度差和長(zhǎng)度差都會(huì)降低120°夾角石墨烯納米帶的熱導(dǎo)率,但寬度差的影響更大些。寬度差對(duì)熱整流效率有很大的提升作用,最大值可達(dá)到110.4%,長(zhǎng)度差對(duì)熱整流的作用不大,且會(huì)使熱整流降低。邊緣氫化和邊緣氮化對(duì)熱導(dǎo)率隨溫度的變化趨勢(shì)影響并不大,對(duì)整體熱導(dǎo)率影響較大。邊緣氫化后整體熱導(dǎo)率降低超過20%,而邊緣氮化會(huì)使熱導(dǎo)率大幅提升,提升超過70%。以上研究結(jié)果為石墨烯在微納電子器件制造及熱管理和熱控制方面提供一定的參考價(jià)值。
【關(guān)鍵詞】：石墨烯納米帶 分子動(dòng)力學(xué) 熱導(dǎo)率 熱整流 三角形缺陷 氮摻雜 夾角
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TM461
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-19
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 納米尺度傳熱學(xué)簡(jiǎn)介13-14
• 1.3 石墨烯熱傳導(dǎo)研究現(xiàn)狀14-15
• 1.4 石墨烯熱整流特性的研究現(xiàn)狀15-16
• 1.5 本文的主要框架16-18
• 1.6 本章小結(jié)18-19
• 第二章 分子動(dòng)力學(xué)方法介紹19-32
• 2.1 前言19
• 2.2 分子動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介19-26
• 2.2.1 分子動(dòng)力學(xué)的基本原理20
• 2.2.2 原子間勢(shì)函數(shù)20-23
• 2.2.3 運(yùn)動(dòng)方程的解法23-24
• 2.2.4 模擬系綜與系綜控制24-25
• 2.2.5 周期性邊界條件25-26
• 2.3 分子動(dòng)力學(xué)熱導(dǎo)率計(jì)算方法26-29
• 2.3.1 平衡態(tài)分子動(dòng)力學(xué)模擬方法EMD27
• 2.3.2 非平衡態(tài)分子動(dòng)力學(xué)方法(NEMD)27-29
• 2.4 熱導(dǎo)率的量子修正29
• 2.5 聲子態(tài)密度的計(jì)算及意義29-30
• 2.6 計(jì)算軟件和模擬流程30-31
• 2.7 本章小結(jié)31-32
• 第三章 三角形缺陷下氮摻雜石墨烯熱特性研究32-43
• 3.1 前言32
• 3.2 模型構(gòu)建32-33
• 3.3 模擬過程33-35
• 3.4 結(jié)果與討論35-41
• 3.4.1 熱導(dǎo)率的量子修正35
• 3.4.2 氮摻雜濃度對(duì)三角形缺陷石墨烯納米帶熱導(dǎo)率的影響35-37
• 3.4.3 模擬溫度對(duì)熱導(dǎo)率的影響37-38
• 3.4.4 三角形缺陷下氮摻雜石墨烯納米帶熱整流效率38-39
• 3.4.5 聲子態(tài)密度分析39-41
• 3.5 本章小結(jié)41-43
• 第四章 夾角對(duì)石墨烯熱特性影響研究43-51
• 4.1 前言43
• 4.2 模型構(gòu)建43-44
• 4.3 模擬過程44-45
• 4.4 結(jié)果與討論45-49
• 4.4.1 熱導(dǎo)率的量子修正45
• 4.4.2 石墨烯納米帶中夾角對(duì)熱導(dǎo)率的影響45-46
• 4.4.3 不同夾角下石墨烯納米帶的熱整流效率46-47
• 4.4.4 模擬溫度對(duì)石墨烯納米帶影響47-48
• 4.4.5 聲子態(tài)密度分析48-49
• 4.5 本章小結(jié)49-51
• 第五章 120度夾角石墨烯中的熱特性研究51-61
• 5.1 前言51
• 5.2 模型構(gòu)建51-52
• 5.3 模擬過程52-53
• 5.4 結(jié)果與討論53-59
• 5.4.1 熱導(dǎo)率的量子修正53
• 5.4.2 寬度差對(duì)熱導(dǎo)率和熱整流的影響53-55
• 5.4.3 長(zhǎng)度差對(duì)熱導(dǎo)率和熱整流的影響55-57
• 5.4.4 邊緣氫化和邊緣氮化對(duì)熱導(dǎo)率熱整流的影響57-58
• 5.4.5 聲子態(tài)密度分析58-59
• 5.5 本章小結(jié)59-61
• 第六章 總結(jié)與展望61-63
• 6.1 總結(jié)61-62
• 6.2 展望62-63
• 參考文獻(xiàn)63-70
• 致謝70-71
• 作者在攻讀碩士期間發(fā)表的科研成果71

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