摘要: 随着全球科技和社会的飞速发展，电子器件的功能越来越集成化和智能化，电子芯片的密度不断增长，热失效已成为电子器件最主要的失效形式，因此微电子制造芯片的散热问题已成为当前微纳电子器件发展的一个巨大瓶颈。近年来，纳米材料的发展为散热问题... 展开 随着全球科技和社会的飞速发展，电子器件的功能越来越集成化和智能化，电子芯片的密度不断增长，热失效已成为电子器件最主要的失效形式，因此微电子制造芯片的散热问题已成为当前微纳电子器件发展的一个巨大瓶颈。近年来，纳米材料的发展为散热问题的解决提供了新的机遇，其中典型的材料是石墨烯，因其具有超高热导率和力学强度，使其极具潜力成为后摩尔时代硅材料的替代材料。因此，对于纳米尺度下石墨烯及其纳米带的热输运研究对热管理领域的潜在应用具有极其重要的意义。本文主要围绕石墨烯纳米带的热输运性质及其调控进行研究，主要内容如下： 1．石墨烯纳米带空位缺陷．应变对纳米带的热输运及调控研究。构建了空位缺陷一应变杂交模型，研究了空位缺陷与应变协同对石墨烯纳米带热输运影响因素及其调控。研究结果表明，石墨烯纳米带中空位缺陷的存在会导致纳米带热导率的大幅下降，不同空间结构分布的空位缺陷对纳米带热导率的影响程度也不一样；随着温度的升高，含有不同空位缺陷的石墨烯纳米带的热导率都逐步下降；两个点空位缺陷在纳米带中的协同位置分布对纳米带热导率有很大影响，在长度方向上，随着空间距离的增大，该纳米带的热导率先减小后增大，当该距离达到纳米带的长度约1/4时纳米带的热导率最小；在宽度方向上，两个点空位缺陷间的距离变化对纳米带热导率几乎没有影响；含有点空位缺陷的纳米带，随着缺陷浓度的增大，其热导率呈下降趋势，最终趋于某个定值；手性对纳米带中缺陷的规则分布与随机分布受缺陷浓度的影响不同；石墨烯纳米带的热导率在应力作用下随温度的升高而降低；压缩和拉伸应变对石墨烯传热性能影响不同，且石墨烯对不同方向施加的应变敏感性也不同；在空位缺陷一应变杂交模型中，缺陷的石墨烯纳米带的热导率随缺陷浓度的增加而下降；应变对长度方向施加应变的纳米带的热导率影响最大。 2．石墨烯纳米带氮掺杂．空位缺陷对纳米带热导率的调控效应研究。构建了含氮掺杂-三角形空位缺陷的杂交模型，研究了氮掺杂与空位缺陷协同对石墨烯纳米带热导率的影响及调控，并发现了热整流效应。研究结果表明，仅氮掺杂的石墨烯纳米带的热导率随掺杂浓度的增加而降低，且随机掺杂的纳米带热导率比规则掺杂的纳米带受掺杂浓度的影响更多，但两者的热导率差值逐渐地减小；对于三角形单氮掺杂与平行双氮掺杂的石墨烯纳米带相比，三角形单氮掺杂的石墨烯纳米带具有很明显的整流效应，随着温度的升高呈现负整流特性，最大整流系数约12:当氮掺杂与三角形缺陷协同作用于石墨烯纳米带时，三角形不变，仅在缺陷周围掺杂氮原子，此时发现，当氮掺杂浓度达到0.72%时能改善缺陷纳米带的热导率，其纳米带热导率升高了22%以上，继续增大掺杂浓度，其热导率缓慢下降；掺杂浓度越高的石墨烯纳米带的热导率受温度影响就越小；氮掺杂-三角形缺陷协同作用下的石墨烯纳米带也呈现了整流效应，且最大整流系数达到18。 3．石墨烯／氮化硼杂化纳米带的热输运性质及调控研究。构建了水平方向分布与垂直方向分布的石墨烯／氮化硼杂化纳米带，研究面内异质界面对石墨烯纳米带导热性能的影响。研究结果表明，随着温度的升高，手性对水平分布的石墨烯／氮化硼纳米带的热导率影响很大，而对垂直分布的石墨烯／氮化硼纳米带影响不大；对于石墨烯／氮化硼杂化纳米带，随着纳米带长度和宽度分别增大其热导率也逐步增大；在相同界面数时，随着杂化组分的增大，石墨烯／氮化硼杂化纳米带的热导率逐步减小，在相同组分时水平分布的杂化纳米带的热导率大于垂直分布的纳米带的热导率；随着石墨烯与氮化硼形成的界面数不断增多，石墨烯／氮化硼杂化纳米带的热导率呈现先快速下降后缓慢下降。 4．石墨烯／环氧树脂复合材料导热性能实验研究。利用原位聚合法制备了填入石墨烯和氮化硼的石墨烯／环氧树脂、石墨烯／氮化硼／环氧树脂和氮化硼／环氧树脂三种复合材料，通过控制组分研究了复合材料的传热性能和绝缘性能。研究结果表明，石墨烯填入环氧基复合材料可以提高复合材料的热稳定性；随着石墨烯填料的增加，制备的复合材料的热导率也随之增加，当石墨烯含量较小时，石墨烯的填入对复合材料热导率影响不大，但随着石墨烯含量达到0.25wt%后，复合材料的热导率将随着石墨烯含量的增大而先快速增大然后缓慢增大；对于器件封装材料不仅需要很好的导热性能，也需要很高的绝缘性，同时测试了复合材料的电阻率，随着石墨烯含量的增加，复合材料的电阻率不断减小；为了改善复合材料的导热性与绝缘性，采用石墨烯与氮化硼共掺的方法制备了石墨烯／氮化硼／环氧树脂复合材料，测试得到共掺复合材料的热导率最高，且电阻率优于石墨烯／环氧树脂复合材料。 本文以微电子制造芯片散热瓶颈问题为背景，研究了石墨烯纳米带的传热特性及其机理，为石墨烯用于微纳芯片的散热提供理论基础，实现了石墨烯热导率的调控和石墨烯复合材料的性能优化，为石墨烯面内结构的合理规划及其在微纳芯片等器件开展热管理应用提供参考和指导作用。 收起