CN107194037B - 一种非对称内嵌结构纳米薄膜热整流器的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种非对称内嵌结构纳米薄膜热整流器的设计方法，将正四棱台形状的非对称内嵌结构嵌入在正四棱柱形状的纳米薄膜中，非对称内嵌结构的高度沿纳米薄膜的厚度方向梯度变化，建立成分子结构初始模型，对分子结构初始模型进行驰豫，计算出弛豫后的分子结构模型的热整流效率，将热整流效率与预设的目标热整流效率相比较，得到非对称内嵌结构纳米薄膜热整流器的结构设计参数；将非对称内嵌结构的热整流热学特性与纳米薄膜的超薄、外形规则的几何特征结合，通过对内嵌不对称性结构的参数调整实现对纳米薄膜热整流器的热整流性能的调控，提高热整流器设计的灵活性和可控性。

Description

一种非对称内嵌结构纳米薄膜热整流器的设计方法
技术领域
本发明涉及热整流器件，具体是热整器的的设计方法。
背景技术
所谓热整流器，是指利用热流在两个相反方向上传播能力不同的现象来实现热管理功能的器件，其热整流效率是通过两个相反方向上的热导率的差异率表示。目前，热整流器的实现形式大致分为两类：第一类形式主要通过将不同传热能力的两种材料相串联形成热整流界面，从而实现热整流器；第二类形式主要通过传热介质几何结构本身的不对称性导致热传导的不对称性，从而实现热整流器。
对于以第一类形式实现的热整流器，文献（Kobayashi W, Teraoka Y, TerasakiI. An oxide thermal rectifier[J]. Applied Physics Letters, 2009, 95(17):143501）中公开的是在实验中将热导率不同的两种块体材料串联，获得了热整流效率为1.43的热整流器，但是，其热整流实现的温度低至-263℃~ -173℃，远远低于常规器件的正常使用温度，且这类热整流器热整流效应依赖于材料本身的传热特性，不能进行热整流效率的调控，同时制备工艺复杂、成本高。对于以第二类形式实现的热整流器，文献（Tian H,Xie D, Yang Y, et al. A Novel Solid-State Thermal Rectifier Based On ReducedGraphene Oxide[J]. Scientific Reports, 2012, 2(7):523）中公开的是将片状的还原氧化石墨烯纸剪裁成不对称结构，获得了热整流效率为1.21的热整流器，但是这种热整流器外形高度不对称，且是平面片状结构，限制了其实际应用范围。
目前，微纳电子器件日趋高度集成化和小型化，微纳电子器件的组件内部热流密度也在迅速增加。纳米薄膜的厚度在100纳米以内，可以满足微纳电子器件的尺寸要求，而如何在有限空间内对电子器件内进行高效的热管理，将直接影响电子器件的使用寿命。
第一性原理是根据原子核和电子互相作用的原理及其基本运动规律，运用量子力学原理，经过一些近似处理后直接求解薛定谔方程，对物质的能量和结构进行计算的方法；分子动力学是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动，以在由分子体系的不同状态构成的系统中抽取样本，从而计算体系的构型积分，并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质的方法。对于这两种材料计算方法，目前已经开发出一系列软件，诸如Materials Studio、VNL-ATK等可以进行相关计算的软件，这为纳米尺度下材料器件热性能的数值优化设计提供了实现手段。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有热整流器经上述两种形式实现后存在的问题，提出一种非对称内嵌结构纳米薄膜热整流器的设计方法，采用非对称性结构内嵌于纳米薄膜内，通过对内嵌的非对称性结构的调整实现对纳米薄膜热整流器的热整流性能的调控。
本发明非对称内嵌结构纳米薄膜热整流器的设计方法采用的技术方案是包括以下步骤：
A） 选择材料之间相互匹配的纳米薄膜和非对称内嵌结构，将正四棱台形状的非对称内嵌结构嵌入在正四棱柱形状的纳米薄膜中，非对称内嵌结构的高度沿纳米薄膜的厚度方向梯度变化，建立成分子结构初始模型；
B）对分子结构初始模型进行驰豫，对弛豫后的分子结构模型的一端施加热浴，另一端施加冷浴，产生L方向上的热流，得到L方向上的温度梯度值(dT/dx) L 及热流值Q L ；互换热浴和冷浴的位置形成L反方向即R方向上的热流，得到R方向上的温度梯度值(dT/dx) R 及热流值Q R ；
C）根据热流值Q L 、Q R 以及温度梯度值(dT/dx) L 、(dT/dx) R 计算出弛豫后的分子结构模型的热整流效率η，将热整流效率η与预设的目标热整流效率η t 相比较，若η＜η t ，则减小非对称内嵌结构正四棱台的顶面边长，重复步骤B，直至η≥η t 为止；若η≥η t ，则弛豫后的分子结构模型的结构参数即非对称内嵌结构纳米薄膜热整流器的结构设计参数。
与现有技术对比，本发明采用上述技术方案后体现出的优点是：
1、本发明构建了不对称内嵌结构与纳米薄膜的复合体系，由纳米薄膜和非对称内嵌结构复合而成，通过在纳米薄膜中内嵌非对称结构来实现整流器，将非对称内嵌结构的热整流热学特性与纳米薄膜的超薄、外形规则的几何特征结合，能形成具有法向热整流特性的纳米薄膜热整流器。
2、由于非对称内嵌结构材料的传热介质已被证明具有热整流特性，所以本发明将不对称结构内嵌在纳米薄膜中，使纳米薄膜实现热整流性能；本发明从热整流现象的发生机理出发，采用内嵌的非对称结构实现了纳米薄膜的法向热整流性能，利用纳米薄膜规则的外形结构，克服了传统非对称热整流结构由于外形限制应用范围小的缺点，并通过对内嵌不对称性结构的参数调整实现对纳米薄膜热整流器的热整流性能的调控，可以提高热整流器设计的灵活性和可控性，降低生产设计成本，具有很好的实用性。
3、由于纳米薄膜可以覆盖发热器件整体表面，所以采用本发明方法设计的热整流器可以对发热器件进行大面积的热整流；由于纳米薄膜的厚度极薄，所以采用本发明方法设计的热整流器尤其适用于微纳电子器件。
4、本发明中的纳米薄膜材料和非对称内嵌结构材料可用多种材料设计，对纳米薄膜材料和非对称内嵌结构材料均无限制。
附图说明
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1为本发明非对称内嵌结构纳米薄膜热整流器的设计方法的流程图；
图2为纳米薄膜和非对称内嵌结构两种材料块体模型相互接触的模型示意图；
图3为非对称内嵌结构纳米薄膜的分子结构初始模型截面示意图；
图4为分子结构初始模型的热流加载模式示意图；
图5为采用本发明方法获得的非对称内嵌结构纳米薄膜热整流器的截面结构示意图。
具体实施方式
参见图1，分别选择两种材料，一种是纳米薄膜基体材料，另一种是非对称内嵌结构材料，其中，其中纳米薄膜基体材料的热导率要大于200W/mK的材料，非对称内嵌结构材料的热导率要小于10W/mK。在Materials Studio软件中分别建立这两种材料块体的模型以及两种材料块体模型相互接触的模型，如图2所示的纳米薄膜基体材料块体1模型和非对称内嵌材料块体2模型的相互接触的模型。
使用Materials Studio软件中的CASTEP模块先分别计算纳米薄膜基体材料块体1的能量E 1 和非对称内嵌材料块体2的能量E 2 ，然后再计算纳米薄膜基体材料块体1和非对称内嵌材料块体2相互接触后的块体的能量E t ，通过以下公式计算两种材料块体间的结合能E b ：
，
若结合能E b ＜0，则表明两种材料可以相互匹配；若结合能E b ≥0，则重新选择纳米薄膜基体材料，再重新建立两种材料块体相互接触的模型并重新计算结合能E b ，直至结合能E b ＜0为止，即两种材料相互匹配为止，由此选定非对称内嵌结构和纳米薄膜的材料。
在Materials Studio软件中，将所选的非对称内嵌结构嵌入在所选的纳米薄膜中，建立如图3所示的非对称内嵌结构纳米薄膜的分子结构初始模型。该分子结构初始模型的外形为一个底面边长为a、高为b的正四棱柱形状的纳米薄膜结构，b≤100nm，在正四棱柱内部嵌有一个底面边长为c、顶面边长为d、高度为h的正四棱台形状的非对称内嵌结构，即将正四棱台的非对称内嵌结构4嵌入在纳米纳米薄膜基体3中，其中，0≤d＜c，c＜a＜20c，并且非对称内嵌结构高度h沿纳米薄膜的厚度b的方向梯度变化，非对称内嵌结构的底面和顶面距离纳米薄膜对应边界相等。纳米薄膜基体3的厚度为b，即正四棱柱的高度b。该分子结构初始模型在纳米薄膜厚度b方向上设定为非周期边界，以模拟纳米薄膜的有限厚度，底面边长a是分子结构的重复周期；该分子结构初始模型在纳米薄膜底面的一平面方向上设定为周期边界，如图5中所示的边长为a的方向上设定为周期边界，以模拟纳米薄膜在平面方向上的扩展，
使用Materials Studio软件中的Forcite模块，对分子结构初始模型进行驰豫。选择温度为300K、压强为0.1GPa，使分子结构初始模型保持在温度300K和压强0.1GPa的环境下进行驰豫，弛豫时间是500ps，使分子结构初始模型充分放松，得到温度300K和压强0.1GPa下稳定的分子结构模型；
使用Materials Studio软件中的Forcite模块，对弛豫后的分子结构模型施加热流，热流加载模式如图4所示，在弛豫后的稳定的分子结构模型的一端施加热浴，在弛豫后的分子结构模型的另一端施加冷浴，使弛豫后的稳定的分子结构模型两端出现温度差，从而产生L方向上的热流，得到热流值Q L ，热流施加的持续时间是1ns，使弛豫后的分子结构模型上的温度分布达到稳定；建立以温度T为纵坐标、以L方向上的距离为横坐标的温度分布曲线，得到L方向上的温度梯度值(dT/dx) L 以及此时L方向上的热流值Q L 。然后，互换热浴和冷浴的位置，形成反方向即R方向上的热流，得到热流值Q R ，热流施加的持续时间同样是1ns，使弛豫后的分子结构模型上的温度分布达到稳定；建立以温度T为纵坐标、以R方向上的距离为横坐标的温度分布曲线，得到R方向上的温度梯度值(dT/dx) R ，以及此时R方向上的热流值Q R 。根据热流值Q L 、Q R 以及温度梯度值(dT/dx) L 和(dT/dx) R 计算热性能参数，即分别计算L方向的热导率K L 和R方向上的热导率K R ，然后根据L方向的热导率K L 和R方向上的热导率K R 计算得到弛豫后的分子结构模型的热整流效率η，计算公式如下：
，
，
，
其中，K L 表示弛豫后的分子结构模型沿L方向的热导率，K R 表示该分子结构模型沿R方向的热导率，η表示该分子结构模型的热整流效率，也就是该弛豫后的分子结构模型下非对称内嵌结构纳米薄膜的热整流效率。
将计算所得到的热整流效率η与预先设定的整流器目标热整流效率η t 相比较，若η≥η t ，则该弛豫后的分子结构模型下的纳米薄膜符合热整流器设计目标要求，输出此时的分子结构模型结构参数，该结构参数包括分子结构重复周期a，纳米薄膜厚度b、内嵌的正四棱台结构的底面边长c、顶面边长d以及高度h，这些结构参数也是纳米薄膜热整流器的结构设计参数。若η＜η t ，则减小非对称内嵌结构的正四棱台的顶面边长d，以增大非对称内嵌结构在纳米薄膜厚度b方向上的不对称性；调整后的新的边长是d'，得到新的分子结构初始模型，然后对新的分子结构初始模型进行重复在温度300K、压强0.1GPa、时间500ps的环境下进行驰豫，再依次重复地操作热浴和冷浴，并得到新的热整流效率η'，直到该新的热整流效率η'满足η'≥η t 为止。输出新的结构参数，包括分子结构重复周期a、薄膜厚度b、内嵌的正四棱台结构的底面边长c、顶面边长d'、高度h，获得最终的纳米薄膜热整流器的设计参数，最终的非对称内嵌结构纳米薄膜热整流器的截面结构如图5所示，纳米纳米薄膜基体3为热整流器的基体，非对称内嵌结构4是填充在纳米薄膜基体3内部、尺寸沿纳米薄膜基体3的厚度b的方向梯度变化的增强体，非对称内嵌结构4的尺寸沿纳米薄膜基体3厚度b的方向变化梯度的大小反映了该内嵌结构的不对称性的强弱，变化梯度越大，则不对称性越强。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种非对称内嵌结构纳米薄膜热整流器的设计方法，其特征是包括以下步骤：
A） 选择材料之间相互匹配的纳米薄膜和非对称内嵌结构，
先分别建立纳米薄膜材料块体的模型、非对称内嵌结构材料块体的模型以及建立两种材料块体模型相互接触的模型，再分别计算纳米薄膜基体材料块体的能量E 1 、非对称内嵌材料块体的能量E 2 以及两种材料块体模型相互接触后的块体的能量E t ，最后经公式计算出两种材料块体间的结合能E b ，若E b ＜0，则表明两种材料相互匹配，若E b ≥0，则重新选择纳米薄膜材料；
纳米薄膜是底面边长为a、高度为b的正四棱柱形状，高度b也是纳米薄膜的厚度；非对称内嵌结构是底面边长为c、顶面边长为d、高度为h的正四棱台形状，0≤d＜c，c＜a＜20c；
将正四棱台形状的非对称内嵌结构嵌入在正四棱柱形状的纳米薄膜中，非对称内嵌结构的高度沿纳米薄膜的厚度方向梯度变化，建立成分子结构初始模型；
B）对分子结构初始模型进行驰豫，对弛豫后的分子结构模型的一端施加热浴，另一端施加冷浴，产生L方向上的热流，得到L方向上的温度梯度值(dT/dx) L 及热流值Q L ；互换热浴和冷浴的位置形成L反方向即R方向上的热流，得到R方向上的温度梯度值(dT/dx) R 及热流值Q R ；
C）根据公式、、计算出热整流效率η，将热整流效率η与预设的目标热整流效率η t 相比较，若η＜η t ，则减小非对称内嵌结构正四棱台的顶面边长，重复步骤B，直至η≥η t 为止；若η≥η t ，则弛豫后的分子结构模型的结构参数即非对称内嵌结构纳米薄膜热整流器的结构设计参数。
2.根据权利要求1所述的一种非对称内嵌结构纳米薄膜热整流器的设计方法，其特征是：纳米薄膜材料的热导率大于200W/mK，非对称内嵌结构材料的热导率小于10W/mK。
3.根据权利要求1所述的一种非对称内嵌结构纳米薄膜热整流器的设计方法，其特征是：纳米薄膜厚度b方向上为非周期边界，底面边长a是分子结构的重复周期。
4.根据权利要求1所述的一种非对称内嵌结构纳米薄膜热整流器的设计方法，其特征是：步骤B）中，驰豫的温度为300K、压强为0.1GPa、时间为500ps。
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