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随着电子器件高度集成化和微尺度化,器件尺寸日益趋近于纳米尺度。纳米尺度下器件是否能稳定运行很大程度上受到其产生的高密度能量转移效率高低的影响。如果热量不能及时地排出,局部温度将超过其工作温度,使器件使用寿命下降。随着硅基半导体技术逐渐达到其物理极限,需要寻找一种新基底材料来取代硅基底,能够快速地排出热量,提高器件运行稳定性,这在半导体器件发展中变得尤为重要。石墨烯是目前已知传热能力最强的低维材料,其出色的传热特性吸引了众多国内外学者的注意,对其传热特性的研究有利于了解微尺度下材料的传热机理,实现对其传热特性的调控,这对于发展新的热电设备具有重要的意义。因此,本文以石墨烯纳米带为研究对象,采用分子动力学方法对其传热特性进行了深入地研究。
(1)采用非平衡态分子动力学方法研究石墨烯纳米带热导率随温度的变化关系。随着温度变化,扶手型石墨烯纳米带热导率下降趋势呈现出波动性,而锯齿型石墨烯纳米带热导率呈逐渐下降趋势。同时,把这些数据与相应的文献结果进行对比,吻合较好,从而证明本文采用的模拟方法和模拟模型的正确性。
(2)石墨烯纳米带结构在掺杂氮后,随着氮在石墨烯纳米带结构中浓度的增加,热导率呈下降趋势。氮原子浓度在较低区域时,热导率急剧下降。同时,研究了扶手型石墨烯纳米带结构中氮原子层掺杂位置对热导率的影响,氮原子层掺杂位置从冷浴向热浴移动过程中,热导率先近似地呈线性下降后上升。石墨烯纳米带中氮原子任意位置掺杂时,对单原子三角彤氮掺杂与多原子平行氮掺杂后石墨烯纳米带热导率进行了研究。
(3)石墨烯纳米带结构中存在点原子空位缺陷时,点原子空缺陷比率的增加能够有效地降低石墨烯纳米带热导率。石墨烯纳米带结构中两点原子空位缺陷沿轴向或纵向分布时,两点原子空位缺陷间的距离对热导率影响不大;同时,发现两点原子空位缺陷相邻时对石墨烯纳米带传热特性的抑制能力没有两点原子空位缺陷分离后强,且相邻两点原子空位缺陷的空间取向能影响石墨烯纳米带热导率。石墨烯纳米带结构中存在圆孔缺陷时,圆孔缺陷的位置能够影响其传热能力。扶手型石墨烯纳米带结构中圆孔空位缺陷位置从冷浴向热浴移动过程中,热导率先下降后上升:锯齿型石墨烯纳米带结构中圆孔空位缺陷从冷浴向热浴移动过程中,热导率曲线呈V形。