基于量子修正的石墨烯纳米带热导率分子动力学表征方法.pdfVIP

物理 学 报 ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．7(2014) 076501 基于量子修正的石墨烯纳米带热导率分子动力学 表征方法术 郑伯昱 董慧龙 陈非凡十 (清华大学精密仪器系，精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京 100084) (2013年9月 17日收到；2014年1月7日收到修改稿) 本文提出了基于量子修正的非平衡态分子动力学模型，可用于石墨烯纳米带热导率的表征．利用该模型 对不同温度下，不同手性及宽度的石墨烯纳米带热导率进行了研究，结果发现：相较于经典分子动力学模型给 出的热导率随温度升高而单调下降的结论，在低于Debye温度的情况下，量子修正模型的计算结果出现了反 常现象．本文研究还发现，石墨烯纳米带的热导率呈现出明显的边缘效应及尺度效应：锯齿型石墨烯纳米带 的热导率明显高于扶手椅型石墨烯纳米带；全温段的热导率及热导率在低温段随温度变化的斜率均随宽度的 增加而增大．最后，文章用Boltzmann声子散射理论对低温段的温度效应及尺度效应进行了阐释，其理论分 析结果说明文章所建模型适合在全温段范围内对不同宽度和不同手性的热导率进行精确计算，可为石墨烯纳 米带在传热散热领域的应用提供理论计算和分析依据． 关键词：石墨烯纳米带，热导率，量子修正，分子动力学模拟 PACS：65．80．Ck，67．25．bd，02．70．Ns DOI：10．7498／aps．63．076501 有望成为新一代芯片间的互联线 6【J．本文对GNR 1 引 言 的热导率进行了初步探索，为揭示其热输运行为奠 定 了基础． 石墨烯是 由单层碳原子紧密堆积而成的二维 现阶段对于石墨烯热物理学特性的研究大多 蜂窝状结构分子，由Novoselov等在2004年首次利 采用实验、理论分析和分子动力学模拟 fmolecu— 用微机械剥离法制备 是人类发现的第一种且唯 lardynamics，MD1相结合的方法．在实验方面， 一 存在的二维晶体．石墨烯价带与导带相交于费 Cai等 【]通过石墨烯拉曼光谱的G峰温度效应对 米能级处，禁带宽度几乎为零，这些独特的电子结 其热导率进行了测试，发现石墨烯的热导率在 构使其具备了优 良的热学、电学及力学性能 [2-4]， 1350--3600W ／mK之间．在理论方面，Nika等 8【J 在高性能微纳米电子器件、复合材料及传感器领域 通过第一性原理计算出单层石墨烯的热导率在 逐渐获得了广泛的应用．在传热学方面，石墨烯 2000--6000W ／mK范围内，林琦等 9【]研究了N掺 由于其出色的热传输性能常被用作微 电子领域的 杂对ZGNR热输运特性的影响．Zhou等 [10]及 导热介质 2[]．边界尺寸固定的带状石墨烯分子被 Zhang等 [11]分别对AGNR的电子传输特性和复 称作石墨烯纳米带fgraphenenanoribbons，简记为 杂能带结构进行了研究．在MD方面，Wei等 [12] GNR)，根据边界结构的不同可分为扶手椅型(arm— 研究了300--800K温度范围内不同结构及尺寸对 chairgraphenenanoribbons，简记为AGNR)和锯 GNR热导率的影响，揭示了GNR热导率的尺寸依 齿型 (zigzaggraphenenanoribbons，简记为ZGN— 赖特性．William等 [13]采用平衡分子动力学方法 R)[，引．最近发现GNR可被用作微尺度传热材料， 研究了室温f300K)条件下边界粗糙程度及氢化率 国家重点基础研究发展计划 (批准号：2012CB934103)资助的课题． 十通讯作者．E-ma