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黑磷烯异质结热输运性质的研究

摘要

二维材料黑磷烯物理性质优异，但其在空气中易被氧化，导致其物理性质发生变化。

为避免这一现象的发生，可采用性质稳定的石墨烯包裹黑磷烯，以构建石墨烯/黑磷烯/

石墨烯异质结（以下简称grbpgr）。该异质结结构常被应用于基于二维纳米材料的场效

应晶体管和光电探测器等电子元器件当中，而其性能往往受限于结构的散热能力。本文

采用分子动力学模拟方法系统研究了黑磷烯异质结结构的热输运性质，具体研究内容如

下。

首先，我们构建了双层、多层黑磷烯/黑磷烯异质结结构和石墨烯/黑磷烯/石墨烯异

质结结构，并采用非平衡分子动力学模拟方法（NEMD）研究了所构建的异质结结构的

热输运性质。结果表明异质结结构的面内晶格热导率随长度的增加而上升，随温度的升

高而下降，但随宽度的变化并不显著。多层黑磷烯异质结结构的晶格热导率表现出各向

异性，其热导率随着层数的增加先下降，之后当层数超过两层后数值趋于稳定。而在

grbpgr结构中，晶格热导率未表现出各向异性，两侧石墨烯都为单层时其数值随着中间

黑磷烯层数的增加而下降，中间层黑磷烯为单层时其数值随着两侧石墨烯层数的增加而

上升。

此外，论文研究了点空位缺陷和掺杂等因素对异质结结构热输运性质的影响规律。

考虑了磷原子和碳原子点空位缺陷及在异质结位置掺杂碳原子对晶格热导率的影响。探

究了缺陷浓度和温度的影响规律，结果表明磷原子的点空位缺陷会降低异质结结构的稳

定性，碳原子空位缺陷和掺杂浓度的增加会导致晶格热导率降低。

关键词：黑磷烯；石墨烯；异质结；分子动力学方法；热导率

黑磷烯异质结热输运性质的研究

Abstract

Thetwo-dimensionalmaterialblackphosphenehasexcellentphysicalproperties,butitis

easytobeoxidizedintheair,resultinginchangesinitsphysicalproperties.Inordertoavoid

thisphenomenon,blackphosphenecanbecoatedwithstablegraphenetoconstruct

graphene/blackphosphene/grapheneheterojunction(hereinafterreferredtoasgrbpgr).The

heterojunctionstructureisoftenusedinelectroniccomponentssuchasfield-effecttransistors

andphotodetectorsbasedontwo-dimensionalnanomaterials,butitsperformanceisoften

limitedbytheheatdissipationcapacityofthestructure.Inthispaper,moleculardynamics

simulationmethodisusedtosystematicallystudythethermaltransportpropertiesofblack

phospheneheterostructure.Thespecificresearchcontentsareasfollows.

First,weconstructedtwo-andmultilayerblackphosphene/blackphosphene/graphene

heterostructures,andinvestigatedthethermaltran