CN203674195U - 一种结构修饰型石墨烯热整流器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种结构修饰型石墨烯热整流器件，包括结构修饰型石墨烯和恒温池。恒温池的输入、输出端分别连接在结构修饰型石墨烯的两端，结构修饰型石墨烯的结构中含有微纳尺度的三角形空位缺陷。本实用新型的热整流器件通过改变石墨烯自身结构，使整个结构内部呈现非对称性，调控动能交换频率，利用整流效应机制，实现热量传递方向的可控制性，提高电子器件的使用寿命。

Description

一种结构修饰型石墨烯热整流器件

技术领域

本实用新型涉及一种基于结构修饰下石墨烯的热整流器件。

背景技术

随着电子器件高度集成化和微尺度化，纳米尺度下器件是否能稳定的运行很大程度上受其产生的高密度额外能量转移效率高低的影响。如果这些热量不能及时排出，将会直接缩短电子器件的使用寿命。散热成为这一时代亟需攻克的难题。石墨烯，一种新型纳米薄膜材料，由于其优秀的热学特性，被广泛设计为热整流器、热晶体管、热逻辑门、热记忆等器件来控制高密度额外热量的传递方向。因此，在热整流器件的设计研发过程中，利用计算机仿真模拟计算最佳缺陷比例及特性分析，将对降低热整流器件的研发成本及缩短研发周期有重要意义。

发明内容

针对微纳电子器件中高密度额外能量转移问题，本实用新型的目的是提供一种基于微纳电子制造的结构修饰型石墨烯热整流器件，以解决高度集成化、微尺度化下电子器件热量排出效率低的问题。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种结构修饰型石墨烯热整流器件，包括结构修饰型石墨烯和恒温池，恒温池的输入、输出端分别连接在结构修饰型石墨烯的两端，所述结构修饰型石墨烯的结构中含有微纳尺度的三角形空位缺陷。

所述石墨烯结构长度为10.6nm，宽度为3.8nm，空位缺陷的原子数范围5≤N≤25，三角形空位缺陷位置位于石墨烯结构的正中。

本实用新型器件的设计方法，依次采用如下步骤：1）基于热整流机制中不对称系统的要求，在微纳尺度下对石墨烯进行三角形空位缺陷的结构修饰，以达到石墨烯结构的不对称性根据热整流机制，得到结构修饰型石墨烯结构；2）在结构修饰型石墨烯结构的两端施加恒温池，用来施加不同温度，其中恒温池采用Nosé-Hoover恒温池，通过计算机仿真施加在石墨烯结构的左右两端，以实现模拟现实中热量传递的效果；3）不断调控原子动能的交换频率以寻求最佳对流传热系数；4）对于不同条件下所述结构修饰型石墨烯结构进行热导率及热整流系数的计算。

在恒温池内施加不同温度，通过人为调控原子动能交换频率，使系统处于动平衡状态，避免产生非线性效应，提高热导率和热整流计算精度，同时尽可能使热量传递的过程符合现实情况。结合温度和缺陷原子数这两变量，利用热导率公式：K＝－q/(dT/dx)，以及热整流公式：η=( k  _(左→右) - k _{（右→左）} )/ k _{（右→左）} ,计算得出热导率值和热整流值，其中K为热导率值，q为热流密度，dT/dx为温度梯度；η为热整流值，k  _(左→右) 为热流从所述结构修饰型石墨烯结构的左端流向右端时的热导率值，k _{（右→左）} 为热流从所述结构修饰型石墨烯结构的右端流向左端时的热导率值。通过数据分析，获得最佳热整流器件的设计方案。通过计算所得结果证明，本实用新型基于结构修饰下石墨烯的热整流器件可应用于微纳电子器件中进行热管理。

本实用新型通过在微纳尺度下进行石墨烯结构修饰，其出现的热整流现象可应用于高度集成化、小型化的微纳电子器件中，以实现高密度额外能量的快速传递，提高器件的使用寿命。

附图说明

图1 基于结构修饰下石墨烯的热整流器件；

图2 基于结构修饰下石墨烯线性拟合温度梯度；

图3 基于结构修饰下石墨烯在不同温度条件下量子修正热导率k随缺陷原子数N的变化曲线；

图4 基于结构修饰下石墨烯在不同温度条件下热整流值η随缺陷原子数N的变化曲线。

具体实施方式

石墨烯是近年来开发出来的一种新型纳米薄膜材料，因其力学、电学、光学、热学特性等优点而受到国内外学者的广泛关注，使其在微纳电子器件中具有广阔的应用前景。本实用新型设计的热整流器件，希望通过在不同温度条件下，调节缺陷原子数来获得稳定的热导率以及相应条件下最大的热整流数值。

为获得散热性能优秀的纳电器件提供理论计算支持，通过理论计算模拟机构修饰下石墨烯的热学特性（量子修正热导率、热整流系数等）以缩短新产品的研发周期及降低成本。首先，通过仿真软件设计石墨烯原结构，再对其进行结构修饰获得不对称系统，具体见图1。图中1为结构修饰型石墨烯，2为Nosé-Hoover恒温池。

然后，在结构修饰后的石墨烯两端的恒温池施加不同温度，由于两端存在温度差，结构两端进行对流传热，整个系统形成一个温度分布，接着对其线性部分进行线性拟合，获得温度梯度，具体见图2。

接着，通过热导率计算公式：K＝－q/(dT/dx)，计算得出在不同温度条件下，两个方向上热导率k随着缺陷原子数N的变化曲线，具体可见图3。可以发现，缺陷原子数N值在比较小时(N=5)，热导率下降的比较快，而当缺陷原子数N大到一定值时(N=25)，热导率呈现稳定趋势，且热导率对于温度的变化表现的不敏感。这意味着，对于温度变化大的环境，这种结构非常适合用来制作热器件以进行热处理。

最后，通过热整流公式：η=( k  _(左→右) - k _{（右→左）} )/ k _{（右→左）} ，计算得出不同温度条件下，热整流值η随缺陷原子数N的变化曲线，具体见图4。可以发现，温度对于热整流值的影响不明显；热整流值随着缺陷原子数的递增，呈现上升趋势。得出的结果再次说明了，本实用新型所设计的基于结构修饰下石墨烯的热整流器件的方案是可行的。这将为以后热整流器件的产品研发和工业制造提供了理论基础，为缩短研发周期和降低成本具有一定的价值。

本实用新型通过改变石墨烯自身结构，使整个结构内部呈现非对称性，调控动能交换频率，利用整流效应机制，实现热量传递方向的可控制性，提高电子器件的使用寿命。因此，本实用新型对于其产品研发及工业制造具有一定的理论价值和指导意义。

Claims (2)

1.一种结构修饰型石墨烯热整流器件，其特征在于，包括结构修饰型石墨烯和恒温池，恒温池的输入、输出端分别连接在结构修饰型石墨烯的两端，所述结构修饰型石墨烯的结构中含有微纳尺度的三角形空位缺陷。

2.根据权利要求1所述的一种结构修饰型石墨烯热整流器件，其特征在于，所述恒温池采用Nosé-Hoover恒温池。

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