清华大学综述：石墨烯基热整流器

热整流器（thermal rectifier）类似于电整流器（电子二极管），具有调控热传导方向的特性，使得热量在一个方向传导，同时在相反方向被截断。这种特性有助于有效排除系统中多余的热量，同时充当绝缘体，阻止热量流入系统，对于系统的热管理至关重要。随着纳米技术的快速发展，微观尺度上主动控制热传导成为可能，需要揭示多种新型的物理机制来实现纳米尺度上的热整流。相较一维材料，二维材料由于其平面结构更适合创建各种不对称的体结构，为热整流器的设计和制造提供了更多机会。特别是石墨烯，凭借其独特的层状结构和热性质，已被广泛研究。因此，以石墨烯作为二维材料的代表，建立基础研究与应用研究之间的桥梁，有助于深入理解二维热整流器，对微观尺度热管理的理论突破和实际应用至关重要。

核心亮点

• 从基础理论、实验技术、器件结构到应用研究四个方面综述石墨烯基热整流器，旨在消除从基础研究到实际应用之间的壁垒。
• 总结二维器件热学研究的重要基础理论。石墨烯基热整流器的研究主要基于分子动力学模拟。
• 声子输运的非对称调制是石墨烯基热整流器的核心原理，大面积制造和高分辨率测量限制了实验研究。
• 强调热逻辑电路、热发电和热解耦等潜在应用，系统集成、大温度偏置和低环境温度限制了应用。

清华大学田禾课题组的综述聚焦于石墨烯基热整流器，涵盖了二维热传导和热整流的基本理论、关键模拟方法，以及先进的实验技术和测量方法。还总结了各种器件结构及其潜在应用。这篇综述为未来纳米尺度高效热整流器的设计、制造和应用提供了全面具体的指导。

图1 本综述的结构示意图

综述中提到，相较于石墨烯基热整流器，其他二维材料的热整流研究相对较少。未来的研究需要涵盖更多种类的二维材料，并考虑电子对热传导的影响，理论计算应加入电子对热整流的贡献。目前，石墨烯基热整流器的研究主要依赖于分子动力学模拟，实验研究相对较少。当前实验工作主要集中于设计非对称结构的石墨烯形状，但需要更多关于官能团修饰、缺陷工程和异质结界面等方面的实验工作。

实验面临的主要挑战包括制备大面积、高质量的石墨烯基热整流器和高精度的热导率测试。目前几乎没有可应用的石墨烯基热整流器，需要重点突破的障碍包括：（1）现有研究中大多数将石墨烯设计成非对称几何形状，缺乏系统集成灵活性；（2）通常热整流器应用中缺乏大温差，需要设计小温度偏置下实现高效热整流的器件；（3）石墨烯基热整流器的高效率通常在远低于室温的环境温度下实现。

综述中还强调，石墨烯基热整流器的核心原理是基于声子传输的非对称调制，理论计算的主要方法是分子动力学模拟。目前提出的非对称结构主要包括：非对称几何形状、非对称缺陷和掺杂结构、非对称边界条件、非对称修饰、非对称界面结构和非对称力条件。

实验中使用的加工技术主要包括：离子束刻蚀、电子束诱导沉积和光刻；测量方法主要包括：H型传感器和DTL法。未来，进一步研究更先进的与纳米制造技术相关的制备和测量技术将有助于石墨烯基热整流器在热逻辑电路、热电转换、微电子热管理和柔性设备热解耦等领域的实际应用。

图2 (a) 石墨烯晶格结构示意图。(b) 用VFF方法计算的石墨烯中的声子色散关系。

图3 (a-b）悬浮微电极的显微图像。(c) 悬浮微电极的详细制备工艺。

图4 (a) 梯形石墨烯纳米带和T形石墨烯纳米带的示意图。(b) 梯形纳米带中的热流与温度偏置的关系。(c) 梯形纳米带中的温度分布。(d) 热整流系数与长度、宽度的关系。

图5 (a) 石墨烯纳米带热整流器原理图。(b) 由两个电二极管实现的典型AND门示意图。(c) 与电AND 门类似的热AND门。(d) 1-0输入端的ε随“高”和“低”值变化而变化。(e) AND门的开关特性。

这篇文章为石墨烯基热整流器建立了基础研究与应用研究之间的桥梁，对于推进其实际应用具有重要意义，并为微观尺度热管理的相关研究提供充分的指导。

原文：https://doi.org/10.1016/j.decarb.2024.100048

A review from fundamental research to device applications for graphene-based thermal rectifier