黑磷及其异质结热传输性能研究

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随着柔性及智能电子设备的快速更新迭代,业界对新型半导体材料的开发以及对其性能的调控有着迫切的需求。二维材料因其较大的比表面积、优异的电子性能与机械性能等优点在新一代半导体材料中具有极其广阔的应用前景。其中,黑磷(black phosphorene)等材料因其具备随层数可调的直接带隙、较高的电子迁移率与开关比等性质受到了广泛的关注,也弥补了石墨烯因缺乏带隙而无法作为半导体材料的缺点。除此之外,黑磷在传热特性、机械特性与光学性能等方面还具备各向异性,这将有利于对其潜在的热电效应等特性进行发掘。基于它的电子特性,黑磷已经被应用于研究场效应晶体管、光电探测与转换器、热电转换器等电子器件。微界面及微边界结构如二维异质结等广泛存在于这些器件之中。随着器件尺寸越来越小,集成度越来越高,复杂的微结构与反常的热传输机制使得散热问题十分具有挑战性。因此对于黑磷及其异质结热传输特性的研究十分必要且具有现实意义。本论文围绕单层以及双层黑磷结构,对其边界拓扑结构和黑磷异质结界面对黑磷结构热传输的影响机制展开了系统的研究。本文主要采用分子动力学和晶格动力学方法,首先研究了三种不同的边界结构对双层黑磷纳米带热导率的影响。结果显示声子在klein边界结构的双层黑磷的边界处发生了较为明显的散射,导致其热导率最低。而U型边界结构热稳定性最高。其次,研究了晶界对单层黑磷导热和热整流特性的影响,研究发现界面处存在明显的界面热阻。界面热阻表现出明显的尺寸效应,当晶界两侧尺寸差异较大时,结构热整流系数可以高达270%。最后,研究了黑磷/二硫化钼范德华异质结构,对影响其界面热传输的机制进行了探索,发现该界面热导没有明显异向性。本研究为黑磷电子器件的热扩散管理提供了理论依据,也为黑磷及相关二维材料在声子器件上应用的可能性提供了参考。
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