01、背景介紹

在過(guò)去的十年中，熱二極管在許多領(lǐng)域得到了廣泛的研究，包括新能源、傳感器，特別是集成電路(ICs)熱管理。熱整流(TR)效應(yīng)作為熱二極管性能的關(guān)鍵因素之一，受到了廣泛關(guān)注。到目前為止，已有許多方法致力于構(gòu)建TR效應(yīng)，其中一種方法是將兩種導(dǎo)熱系數(shù)不同的材料結(jié)合起來(lái)。近年來(lái)，電子器件的尺寸進(jìn)一步縮小，甚至縮小到納米尺度，這對(duì)于研究納米材料的TR現(xiàn)象至關(guān)重要。

考慮到成本和特殊的晶體結(jié)構(gòu)，二維石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)在構(gòu)建熱整流方面顯示出巨大的潛力，氮化硼晶體在結(jié)構(gòu)上與石墨烯非常相似，石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)是熱二極管的潛在材料。許多研究結(jié)果表明，低溫、溫度偏差大、樣品長(zhǎng)度短、界面密度小是熱還原的最佳條件，已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，然而，單層石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)熱整流比的長(zhǎng)度依賴性研究仍處于起步階段。

02、成果簡(jiǎn)介

杭州電子科技大學(xué)董源教授團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)基于二維石墨烯/氮化硼的高效熱二極管。利用非平衡分子動(dòng)力學(xué)（NEMD）研究了ReaxFF電位下15-150 nm石墨烯/氮化硼納米片的界面熱輸運(yùn)特性。團(tuán)隊(duì)一直致力于ReaxFF電位的分子動(dòng)力學(xué)模擬，之前的工作證明了ReaxFF勢(shì)在計(jì)算低維材料熱傳導(dǎo)方面的優(yōu)勢(shì)。結(jié)果表明:熱整流存在，且整流率隨長(zhǎng)度的增加而增大。此外，通過(guò)光子光譜詳細(xì)分析了熱整流的來(lái)源，從振動(dòng)模態(tài)的角度研究了熱整流比的長(zhǎng)度依賴性，此項(xiàng)工作將有助于集成電路的熱管理。研究成果以“Graphene and 2D Hexagonal Boron Nitride Heterostructure for Thermal Management in Actively Tunable Manner”為題發(fā)表于《Nanomaterials》期刊。

03、圖文速覽

(a)納米片熱二極管模擬系統(tǒng)，由石墨烯和氮化硼(BN)按相等比例連接而成。紅色和藍(lán)色虛線分別代表加熱區(qū)域和冷卻區(qū)域。熱量從石墨烯流向氮化硼(正向)或從氮化硼流向石墨烯(反向)。(b) 50 nm長(zhǎng)系統(tǒng)熱平衡后達(dá)到穩(wěn)態(tài)的溫度分布。紅色的數(shù)據(jù)點(diǎn)表示正向方向，藍(lán)色的數(shù)據(jù)點(diǎn)表示反向方向。(c) C-B-N鍵形成的界面圖。

碳(C)和氮化硼(BN)原子的正向和反向PDOS曲線。(a,b)中間的平面方向(純C/BN中間區(qū)域的原子單位);(c,d)界面面內(nèi)方向;(e,f)中間離面方向;(g,h)界面的平面外方向。

C和BN原子間正向和反向PDOS的CCF。(a)中間面內(nèi)方向;(b)界面面內(nèi)方向;(c)中間離面方向;(d)界面的平面外方向。

15、25、50、75、100、150 nm的石墨烯/氮化硼的前后界面熱導(dǎo)及相應(yīng)的整流比。

碳原子和BN原子在界面(前后)的面外PDOS曲線 (a,b)石墨烯/BN-25 nm;(c,d)石墨烯/BN-100 nm。

C和BN原子間正向和反向PDOS的CCF (a)面外25 nm -石墨烯/BN;(b)面外100nm石墨烯/BN。

審核編輯：郭婷