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纳器件散热特性研究 林焕 黄祥青 邱凯 王琨 周克平 李亮 （华中科技大学电子科学与技术系0808班 武汉 430074） 【摘要】本文对碳纳米管导热特性以及其与基底接触时的导热性质和界面热阻效应的研究做简单的综述，首先简要介绍碳纳米管的发展及现状、结构、热学特性及应用，然后我们通过文献调研的结果了解碳纳米管轴向长度、管径及周围温度对其导热特性的影响；其次探讨使碳纳米管热导率提高的方法；随后对碳纳米管与基底接触时的导热性质和界面热阻效应进行分析；接着针对我们上述的分析与问题以及对碳纳米管在实际应用中的前景与存在的问题的展望，提出我们的研究方向；最后简要介绍采用分子动力学方法对碳纳米管导热特性以及其与基底接触时的导热性质和界面热阻效应的研究方法。 【关键字】单壁碳纳米管 热导率 界面热阻效应 分子动力学模拟 一、前言 1.1碳纳米管的发展及现状 碳纳米管，又称巴基管，属富勒碳系，是一种具有特殊结构的一维量子材料。自1991年日本NEC公司基础研究室的电子显微镜专家饭岛在高分辨率透射电子显微镜下检测石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子即碳纳米管以来，在世界范围内引起研究碳纳米管的热潮[1]。碳纳米管因其特殊结构而呈现的低密度，高硬度，高韧性和优异的电学性能，力学性能和光学性能等而备受关注。 饭岛发现的碳纳米管实际上是由一些同心的纳米管状结构组成。在放大50万倍的电子显微镜下，碳纳米管的横截面是由2个或多个同轴管组成，相邻两管的层间距约为近似于石墨晶体中碳原子层片之间的距离的0.34nm，也近似于的半径。饭岛指出这种管状结构是由类似于石墨的六边形网格所组成的管状物，六边形网格的交点即为碳原子所在。同时，碳纳米管一般两端封闭，直径在几纳米到几十纳米之间，长度可达数微米。碳纳米管是碳家族的一个重要成员，是晶形碳的另一种同素异形体，碳纳米管的出现使晶形碳的结构日趋完美。碳纳米管是由不同层数的石墨片卷曲而成的筒状结构。根据其层数的多少，碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。单壁碳纳米管也可以想象为由分子拉长而形成，封口的碳纳米管两端都是半笼形结构，为相应的富勒烯球形分子的一半。多壁碳纳米管可以想象为由不同直径的单壁碳纳米管套装而成。 由于碳纳米管独特的结构，碳纳米管的研究具有重大的理论意义和潜在的应用价值，如其独特的结构是理想的一维模型材料巨大的长径比使其有望用作坚韧的碳纤维，其强度为钢的倍，重量则只有钢1/6；同时它还有望用作为分子导线，纳米半导体材料，催化剂载体，分子吸收剂和近场发射材料等。科学家们还预测碳纳米管将成为21世纪最有前途的虽然碳纳米管的技术性能非常好，但因成本和其?素其大规模推广仍将会是一个长期的过程。目前，在各大学的物理系和像IBM那样的公司都在制造碳纳米管，每克碳纳米管的价格。我国对此项研究虽然起步较晚，但发展很快。目前碳纳米化学方兴未艾，内容丰富，前景诱人。通过对碳纳米管的研究，必然带动相应学科的发展。和手性矢量确定后，其结构也就唯一确定了。下面具体介绍这两个参数的具体意义及对碳纳米管特性的影响。 将碳纳米管展开，即为一层石墨烯层片，如下图所示： 图1.1 碳纳米管展开为单层石墨烯层片示意图 为碳纳米管的圆周矢量，也称为手性矢量。图中所示为一个型碳纳米管（图中的），是一个结构单元。 式中n、m是整数，；、为单位矢量，和交角为60°。为碳纳米管的直径（nm），为碳纳米管横切面的周长（nm），可以由下式求出[1]： 式中n、m是整数，；为晶格常数（nm），，。则有[2]： ， 可求得晶格常数。在石墨中，C－C键长为0.142nm；在碳纳米管中，C－C键长为0.144nm。以扶手椅型的碳纳米管（5,5）为例，直径为0.688nm。 手性角定义为矢量和之间的夹角，取值范围为。手性角代表石墨层边六边形相对管轴的螺旋角。可以由和的内积求出[1]： 式中的符号含义同上。这样就将手性角和整数n、m联系起来了。锯齿型和扶手椅 型碳纳米管分别对应的和。 与矢量垂直的矢量可表示如下： 式中是整数，，；、为单位矢量。 设为m和n的最大公约数，则 式中为整数，当不是3的整数倍时，；当时，。表示碳纳米管横切面的周长（nm）。 下表所示为单壁碳纳米管按手性的分类[2]： 表1.1 碳纳米管的手性分类 类型 扶手椅型 锯齿型 手性型 下图为12_0型、10_10型、10_0型三种类型单壁碳纳米管的模型： 图1.2 12_0型、10_10型、10_0型三种类型单壁碳纳米管的模型示意图 以上就是关于碳纳米管的结构的一些简单介绍，正是碳纳米管的结构决定了其所拥有的优良性质。 1.3碳纳米管的热学特性及应用 在热学性能方面，碳纳米管被认为是目前世界上最好的导热材料，而