新的Thermal Rectification方法使得石墨烯结构完好无损

pristine石墨烯的Thermal rectification在最近发表在Carbon杂志上的一项工作中进行了探索。二维石墨烯通过由SiO₂和GaN的混合平台增强。

研究：Thermal rectification effect of pristine graphene induced by vdW heterojunction substrate. 图片来源：Egorov Artem/Shutterstock.com

Thermal rectification（TR）被用于一系列复杂的不对称或异构系统中，作为一种有效的热控制技术。

用于散热应用的石墨烯

随着半导体器件的快速扩张和微电子器件的不断萎缩，能量耗散正成为未来技术性能提升的关键制约因素。

由于其超高的热容量，石墨烯已被广泛用于许多技术和电器的除热设计中。由于石墨烯是一种纳米级单原子物质，其物理特性对环境影响非常敏感。

因此，石墨烯的热容可以动态调整。

使用石墨烯的Thermal rectification（TR）

对石墨烯中传热的修饰技术进行了大量研究，例如位错，缺陷，不对称结构和基底影响等。进一步的研究发现，当石墨烯的这些改性步骤实施时，材料内部的热波动具有很强的取向，基本上在一个方向上保持正常的热传导能力，同时大大抑制了相反方向的传热。

Thermal rectification现象的发生是因为石墨烯和其他半导体中的受控载流子不再是电子而是声子。

3D基材的重要性

石墨烯等二维化合物往往不稳定，分离的单层二维化合物的适用范围受到限制;因此，它们通常与三维平台结合使用。通过改变基板的刚性，石墨烯可以产生出色的Thermal rectification。

许多研究表明，基板的存在会显着改变二维材料的特性。

已经证明，当石墨烯被置于SiO₂上时，Cu或GaN，传热分别降低了80%，44%和10%-17%。声子通过表面的转移，以及界面使弯曲模式声子的高分散性是造成这种现象的主要原因。

以往TR研究的局限性

现有的TR实验都使用归一化的温度梯度，这意味着与结构系统相关的冷源端经常需要非常低的温度（200K），这与使用仪器的实际环境不匹配。由此产生的 TR 效应需要修改。

这些问题已成为采用TR的重大障碍。简而言之，由于TR研究的重点已转向非破坏性技术，因此在衬底和高温的作用下量化石墨烯的TR变得至关重要。

目前的研究方法

采用非平衡分子动力学（NEMD）计算，研究人员在这项研究中研究了石墨烯在混合平台上的TR影响。

由SiO₂组成的vdW异质结构选择GaN作为底物，因为SiO₂的潜在效应存在差异和石墨烯上的GaN。

选择300K作为低温热源。可以看出，在没有不对称结构或表面的情况下，通过在保持相同热面积的情况下修改各种基板可以产生TR，并且可以实现50%的TR率。

结论与展望

这项研究提出了一种易于实施的热矫正方法。

覆盖在基底上半部分的纯石墨烯的Thermal rectification现象可以通过结合各种基板形成异质结构来诱导。研究结果表明，当热源温度升高时，Thermal rectification首先上升，然后保持稳定。

此外，还发现当温泉浴的纵向范围增大时，Thermal rectification速率最初增加，然后降低，最后在5 nm处消失。

热校正是由石墨烯定位的热量和尺寸响应性的差异引起的，以及由于不同的衬底影响而导致的两侧原子振动信号的差异引起的。

本研究提出了一种更简单的Thermal rectification方法，不会降解石墨烯结构，并重新评估了高温下Thermal rectification的影响，并可能作为未来石墨烯散热系统研究的指南。

参考

Chen, G. et al. (2022). Thermal rectification effect of pristine graphene induced by vdW heterojunction substrate. Carbon. Available at: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0008622322000124