CN109422233B - 纳米热流调控装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纳米热流调控装置，包括具有功能化区域和非功能化区域的石墨烯；以及与功能化区域中的石墨烯的碳原子连接的化学官能团；功能化区域设置为多个，非功能化区域进一步包括第一区域，多个功能化区域相互间隔，并以第一区域为中心呈辐射状分布，使石墨烯表面的热流在经过功能化区域时改变流向，汇聚到第一区域。
Description
技术领域
本发明涉及微/纳器件热调控技术领域，特别是涉及纳米热流调控装置。
背景技术
近年来，随着纳米技术的不断发展，电子芯片向集成化、微型化发展。微/纳机械电子系统、生物芯片、芯片实验室等微/纳器件，在军事、能源、生物、信息等领域获得广泛的关注和应用。在微/纳尺度下，器件的热流密度达109W/m2量级，对器件的性能和寿命有很大的影响。传统的热导率分布结构，在微/纳尺度的器件上存在界面热阻效应，不能满足微/纳器件的热流调控。因此，微/纳尺度的热流调控是一个亟待解决的问题。
发明内容
基于此，有必要针对传统的热导率分布结构存在不能满足微/纳器件的热调控问题，提供一种纳米热流调控装置。
一种纳米热流调控装置，包括具有功能化区域和非功能化区域的石墨烯；以及与所述功能化区域中的石墨烯的碳原子连接的化学官能团；所述功能化区域设置为多个，所述非功能化区域进一步包括第一区域，多个所述功能化区域相互间隔，并以所述第一区域为中心呈辐射状分布，使所述石墨烯表面的热流在经过所述功能化区域时改变流向，汇聚到所述第一区域。
在其中一个实施例中，所述功能化区域等间隔设置。
在其中一个实施例中，所述功能化区域相对于所述第一区域对称设置。
在其中一个实施例中，所述功能化区域的数量为8至12个。
在其中一个实施例中，所述功能化区域的长度为3至5nm。
在其中一个实施例中，所述功能化区域的宽度为0.3至0.9nm。
在其中一个实施例中，所述第一区域为圆形，直径为6nm。
在其中一个实施例中，所述功能化区域呈线条状。
在其中一个实施例中，所述化学官能团包括氢原子、羟基、甲基以及羧基中的至少一种。
在其中一个实施例中，进一步包括设置在所述石墨烯的第一区域的散热装置或待加热装置。
本发明的纳米热流调控装置，通过使石墨烯中局部的功能化区域的碳原子与化学官能团成键，形成功能化区域，可以使功能化区域中负载能量的能力降低，从而使功能化区域具有阻碍周边能量传递的作用，有效阻断功能化区域附近热流的传递，功能化区域在石墨烯表面呈辐射状分布，使已有热流沿功能化区域传递，汇聚在辐射状图案的中心，实现对已有热流的调控。
附图说明
图1为本发明实施例1中的石墨烯的模型图；
图2为本发明实施例1中的石墨烯的热流分布云图；
图3为本发明实施例2中的石墨烯的模型图；
图4为本发明实施例2中的石墨烯的热流分布云图；
图5为本发明实施例3中的石墨烯的模型图；
图6为本发明实施例3中的石墨烯的热流分布云图；
图7为本发明实施例4中的石墨烯的模型图；
图8为本发明实施例4中的石墨烯的热流分布云图；
图9为本发明实施例5中的石墨烯的模型图；
图10为本发明实施例5中的石墨烯的热流分布云图；
图11为本发明实施例6中的石墨烯的模型图；
图12为本发明实施例6中的石墨烯的热流分布云图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及技术效果更加清楚明白，以下结合附图对本发明的具体实施例进行描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种纳米热流调控装置，包括具有功能化区域和非功能化区域的石墨烯；以及与功能化区域中的石墨烯的碳原子连接的化学官能团；功能化区域设置为多个，非功能化区域进一步包括第一区域，多个功能化区域相互间隔，并以第一区域为中心呈辐射状分布，使石墨烯表面的热流在经过功能化区域时改变流向，汇聚到第一区域。
本发明实施例的纳米热流调控装置，通过在石墨烯的碳原子中设置与化学官能团连接的碳原子，形成功能化区域，可以使功能化区域中负载能量的能力降低，从而使功能化区域具有阻碍周边能量传递的作用，有效阻断石墨烯表面的热流在功能化区域附近的传递，使已有热流沿功能化区域传递，从而汇聚在第一区域，实现对微/纳器件的已有热流的调控，例如微/纳机电系统的散热或者局部加热。
优选地，化学官能团可以为氢原子、羟基、甲基以及羧基中的至少一种。具体可以通过氢化处理或氧化处理，实现对碳原子的官能团修饰，使碳原子与化学官能团以sp3型杂化轨道的方式成键，从而被官能团修饰的碳原子与其它碳原子的界面附近，声子谱的特征峰值被大大削弱，对石墨烯表面的热流的传递起到阻碍作用。
优选地，在功能化区域中，化学官能团的总数量为338-498个，每个化学官能团均与一个碳原子以sp3型杂化轨道的方式成键。
功能化区域可以为等间隔设置。更为优选地，各功能化区域相对于第一区域对称设置。以使各功能化区域周边的热流被均匀地阻隔，以使石墨烯表面的热流能够均匀地沿多个功能化区域流动到第一区域，更好地实现已有热流在第一区域的汇聚。
进一步地，功能化区域的数量设置为8-12个，以使已有热流沿功能化区域的汇聚达到较佳的效果。功能化区域可以为线条状，例如直线或曲线。
在一实施例中，第一区域的位置为石墨烯表面的几何中心。进一步地，第一区域优选为圆形，直径可以为6nm。
在化学官能团为氢原子的实施例中，功能化区域的官能团部分的长度优选设置为3-5nm，宽度为0.3至0.9nm，以使已有热流更好地沿功能化区域流动并汇聚在第一区域。该长度和宽度具体为沿长度方向的所有氢原子在长度方向的半径和、及沿宽度方向的所有氢原子在宽度方向的半径和。
在一实施例中，进一步包括第一装置与第二装置，第一装置为发热装置，设置在石墨烯的一侧，第一装置发出的热量通过石墨烯传导，第二装置是散热装置，设置在石墨烯的表面上，具体为功能化区域形成的第一区域的表面上。第一装置可以为芯片，第二装置可以为风扇，以使热流能够更好地散发，延长芯片的使用寿命。在另外的实施例中，第二装置还可以是待加热装置，通过将热流汇聚在第一区域，可以节约热量，更容易达到待加热装置所需加热的温度，提高热流利用率。
本发明实施例还提供一种纳米热流调控装置的应用，纳米热流调控装置可以应用于以石墨烯为主要材料的微纳器件，包括芯片实验室、微/纳机电系统/以及石墨烯场效应管等。
本发明实施例还提供一种纳米热流调控装置的制备方法，包括以下步骤：
S100，提供石墨烯；
S200，在石墨烯表面形成图案化掩膜，暴露石墨烯表面的待处理区域；
S300，对待处理区域进行氢化处理或氧化处理，得到至少部分与化学官能团连接的碳原子；以及
S400，去除石墨烯表面的图案化掩膜，将石墨烯清洗及烘干，形成具有功能化区域和非功能化区域的石墨烯。
步骤S100之前，还可以包括步骤S500，采用高温外延生长法制备石墨烯，具体包括：
提供碳化硅单晶，用氢气对其表面进行平整化处理，使碳化硅形成具有原子级平整度的台阶阵列形貌的表面；以及
在超高真空的环境下，将该表面加热到1400℃以上，碳硅键发生断裂，硅原子从表面脱附，碳原子通过自组装的形式进行重构，形成六方蜂窝状的石墨烯薄膜。
实施例1
S100，提供石墨烯；
S200，在石墨烯表面形成图案化掩膜，暴露石墨烯表面的待处理区域；
S300，对待处理区域进行氢化处理，以1至21eV范围内的能量施加氢等离子体或氢原子，使碳原子与氢等离子体或氢原子接触60秒至120秒,使待处理区域的石墨烯的碳原子与氢原子以sp3型杂化轨道的方式成键；以及
S400，去除所述石墨烯表面的图案化掩膜，将石墨烯清洗及烘干，形成具有功能化区域和非功能化区域的石墨烯。
请参阅图1，石墨烯的尺寸为21.2×24.2nm2，第一区域2直径为6nm。设置有8个功能化区域1，每个功能化区域1的长度均为5nm，宽度为0.3nm。在lammps模拟软件上，对其进行分子动力学模拟，石墨烯左侧温度为350K，石墨烯右侧温度为250K，以使热流自石墨烯的左侧流向石墨烯的右侧。其中，每个原子的微观热流的计算式为Ji＝Eivi-Sivi,其中Ji为i原子产生的热流，E表示原子总能量，v为速度矢量，S为每个原子的应力张量矩阵，它含有九个元素，如式(I)所示，为对称矩阵。具体地，i原子在三个方向的热流分别如式(II)、式(III)和式(IV)所示,当热流在该石墨烯表面自左侧流向右侧时，石墨烯的热流分布云图如图2所示。可以看到，第一区域2主要为深色箭头，而其它区域则以浅色箭头为主，说明，第一区域2热流密度明显高于其它区域。通过箭头的指向可以发现，相当一部分热流顺着功能化区域1的指向流向第一区域2。模拟结果显示，第一区域2与其它区域的平均热流密度比值为1.25，即第一区域2的平均热流密度比其它区域的高25％。说明，本实施例的功能化区域1能够较好地实现已有热流在第一区域2的汇聚。
实施例2
实施例2与实施例1的区别仅在于，实施例2中功能化区域1的宽度不同于实施例1，实施例2中氢原子总数为498，单个功能化区域1的宽度不均匀，最大宽度为0.9nm。
请参阅图3，石墨烯设置有498个氢原子，其它参数均与实施例1相同。请参阅图4，为实施例2的石墨烯的热流分布云图。模拟结果显示，第一区域2与其它区域的平均热流密度比值为1.26，即第一区域2的平均热流密度比其它区域的高26％。说明，本实施例的功能化区域1能够较好地实现已有热流在第一区域2的汇聚。
实施例3
实施例3与实施例1的区别仅在于，实施例3中功能化区域1的长度不同，功能化区域1的长度设置为3nm。
请参阅图5，石墨烯中，功能化区域1的长度设置为3nm，其它参数均与实施例1相同。请参阅图6，为实施例3的石墨烯的热流分布云图。模拟结果显示，第一区域2与其它区域的平均热流密度比值为1.086，即第一区域2的平均热流密度比其它区域的高8.6％。说明，本实施例的功能化区域1能够较好地实现已有热流在第一区域2的汇聚。
实施例4
实施例4与实施例1的区别仅在于，实施例4中功能化区域1的长度不同，功能化区域1的长度设置为4nm。
请参阅图7，石墨烯设中，功能化区域1的长度设置为4nm，其它参数均与实施例1相同。请参阅图8，为实施例4的石墨烯的热流分布云图。模拟结果显示，第一区域2与其它区域的平均热流密度比值为1.196，即第一区域2的平均热流密度比其它区域的高19.6％。说明，本实施例的功能化区域1能够较好地实现已有热流在第一区域2的汇聚。
实施例5
实施例5与实施例1的区别仅在于，实施例5中功能化区域1的数量不同，功能化区域1的数量设置为10个。
请参阅图9，石墨烯中，功能化区域1的数量设置为10个，其它参数均与实施例1相同。请参阅图10，为实施例5的石墨烯的热流分布云图。模拟结果显示，第一区域2与其它区域的平均热流密度比值为1.316，即第一区域2的平均热流密度比其它区域的高31.6％。说明，本实施例的功能化区域1能够较好地实现已有热流在第一区域2的汇聚。
实施例6
实施例6与实施例1的区别仅在于，实施例6中功能化区域1的数量不同，功能化区域1的数量设置为12个。
请参阅图11，石墨烯中，功能化区域1的数量设置为12个，其它参数均与实施例1相同。请参阅图12，为实施例6的石墨烯的热流分布云图。模拟结果显示，第一区域2与其它区域的平均热流密度比值为1.28，即第一区域2的平均热流密度比其它区域的高28％。说明，本实施例的功能化区域1能够较好地实现已有热流在第一区域2的汇聚。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (11)
1.一种纳米热流调控装置，其特征在于，包括：
具有功能化区域和非功能化区域的石墨烯；以及
与所述功能化区域中的石墨烯的碳原子连接的化学官能团；
所述功能化区域设置为多个，所述非功能化区域进一步包括第一区域，多个所述功能化区域相互间隔，并以所述第一区域为中心呈辐射状分布，使所述石墨烯表面的热流在经过所述功能化区域时改变流向，汇聚到所述第一区域。
2.根据权利要求1所述的纳米热流调控装置，其特征在于，所述功能化区域等间隔设置。
3.根据权利要求1所述的纳米热流调控装置，其特征在于，所述功能化区域相对于所述第一区域对称设置。
4.根据权利要求1所述的纳米热流调控装置，其特征在于，所述功能化区域的数量为8至12个。
5.根据权利要求1所述的纳米热流调控装置，其特征在于，所述功能化区域的长度为3至5nm。
6.根据权利要求1所述的纳米热流调控装置，其特征在于，所述功能化区域的宽度为0.3至0.9nm。
7.根据权利要求1所述的纳米热流调控装置，其特征在于，所述第一区域的位置为所述石墨烯表面的几何中心。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的纳米热流调控装置，其特征在于，所述第一区域为圆形，直径为6nm。
9.根据权利要求1至7中任意一项所述的纳米热流调控装置，其特征在于，所述功能化区域呈线条状。
10.根据权利要求1至7中任意一项所述的纳米热流调控装置，其特征在于，所述化学官能团包括氢原子、羟基、甲基以及羧基中的至少一种。
11.根据权利要求1至7中任意一项所述的纳米热流调控装置，其特征在于，进一步包括设置在所述石墨烯的第一区域的散热装置或待加热装置。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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