黑磷基纳米结构近场热辐射冷却机制的研究

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黑磷是一种性能优异的二维半导体材料,因为其二维材料的特性使其在极端尺寸下比传统的块状半导体有着更好的表现,随着硅基场效应晶体管已经接近了它的物理极限,黑磷有望成为新一代的半导体材料。然而黑磷的导热能力较差,因而我们设想通过近场热辐射途径来为黑磷基器件散热。由于倏逝波和表面模式的贡献,近场热辐射能够突破斯特藩-玻尔兹曼定律所规定的黑体极限,并能超过黑体极限几个数量级。利用近场热辐射途径来为黑磷基器件提供散热,不仅能满足散热需求而且避免了因接触而对黑磷基器件产生影响。为了满足黑磷基器件的散热需求,冷却体应该是热的良导体,以便能够快速把热量传导出去。本文主要研究了单层黑磷和黑磷条带与石墨烯覆盖的碳化硅纳米线阵列之间的近场热辐射。黑磷条带考虑了黑磷基器件按实际需求对黑磷进行剪裁的情况,具有一定的代表性。石墨烯不仅是一种高热导率材料而且其激发的表面等离激元能够有效增强近场热辐射,另外石墨烯的性质可以通过掺杂或外加偏压进行调控。碳化硅同样是一种高热导率材料,而且能够激发表面声子极化激元;基于碳化硅制作的碳化硅纳米线阵列是一种双曲超材料,能够激发宽谱的双曲声子极化激元。我们通过理论计算研究了黑磷的电子掺杂浓度、石墨烯的化学势、碳化硅纳米线阵列的体积分数和黑磷条带的宽度多种因素对近场热辐射的影响,发现当石墨烯的化学势和碳化硅纳米线阵列的体积分数比较小时往往有不错的结果。在实际应用中,可以根据黑磷的电子掺杂浓度和黑磷条带的宽度来调节石墨烯的化学势和碳化硅纳米线阵列的体积分数以增强近场热辐射。本文的研究对于黑磷基器件的散热问题具有重要的参考价值,对于不同材料间的近场热辐射研究也具有重要意义。
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