一種結(jié)構(gòu)修飾型石墨烯熱整流器件的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種結(jié)構(gòu)修飾型石墨烯熱整流器件，包括結(jié)構(gòu)修飾型石墨烯和恒溫池。恒溫池的輸入、輸出端分別連接在結(jié)構(gòu)修飾型石墨烯的兩端，結(jié)構(gòu)修飾型石墨烯的結(jié)構(gòu)中含有微納尺度的三角形空位缺陷。本實(shí)用新型的熱整流器件通過(guò)改變石墨烯自身結(jié)構(gòu)，使整個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部呈現(xiàn)非對(duì)稱性，調(diào)控動(dòng)能交換頻率，利用整流效應(yīng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)熱量傳遞方向的可控制性，提高電子器件的使用壽命。
【專利說(shuō)明】一種結(jié)構(gòu)修飾型石墨烯熱整流器件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種基于結(jié)構(gòu)修飾下石墨烯的熱整流器件。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子器件高度集成化和微尺度化，納米尺度下器件是否能穩(wěn)定的運(yùn)行很大程度上受其產(chǎn)生的高密度額外能量轉(zhuǎn)移效率高低的影響。如果這些熱量不能及時(shí)排出，將會(huì)直接縮短電子器件的使用壽命。散熱成為這一時(shí)代亟需攻克的難題。石墨烯，一種新型納米薄膜材料，由于其優(yōu)秀的熱學(xué)特性，被廣泛設(shè)計(jì)為熱整流器、熱晶體管、熱邏輯門、熱記憶等器件來(lái)控制高密度額外熱量的傳遞方向。因此，在熱整流器件的設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中，利用計(jì)算機(jī)仿真模擬計(jì)算最佳缺陷比例及特性分析，將對(duì)降低熱整流器件的研發(fā)成本及縮短研發(fā)周期有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)微納電子器件中高密度額外能量轉(zhuǎn)移問(wèn)題，本實(shí)用新型的目的是提供一種基于微納電子制造的結(jié)構(gòu)修飾型石墨烯熱整流器件，以解決高度集成化、微尺度化下電子器件熱量排出效率低的問(wèn)題。
[0004]本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0005]一種結(jié)構(gòu)修飾型石墨烯熱整流器件，包括結(jié)構(gòu)修飾型石墨烯和恒溫池，恒溫池的輸入、輸出端分別連接在結(jié)構(gòu)修飾型石墨烯的兩端，所述結(jié)構(gòu)修飾型石墨烯的結(jié)構(gòu)中含有微納尺度的三角形空位缺陷。
[0006]所述石墨烯結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為10.6nm,寬度為3.8nm,空位缺陷的原子數(shù)范圍5 < N < 25，三角形空位缺陷位置位于石墨烯結(jié)構(gòu)的正中。
`[0007]本實(shí)用新型器件的設(shè)計(jì)方法，依次采用如下步驟:1)基于熱整流機(jī)制中不對(duì)稱系統(tǒng)的要求，在微納尺度下對(duì)石墨烯進(jìn)行三角形空位缺陷的結(jié)構(gòu)修飾，以達(dá)到石墨烯結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性根據(jù)熱整流機(jī)制，得到結(jié)構(gòu)修飾型石墨烯結(jié)構(gòu)；2)在結(jié)構(gòu)修飾型石墨烯結(jié)構(gòu)的兩端施加恒溫池，用來(lái)施加不同溫度，其中恒溫池采用Nos6_Hoover恒溫池，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真施加在石墨烯結(jié)構(gòu)的左右兩端，以實(shí)現(xiàn)模擬現(xiàn)實(shí)中熱量傳遞的效果；3)不斷調(diào)控原子動(dòng)能的交換頻率以尋求最佳對(duì)流傳熱系數(shù)；4)對(duì)于不同條件下所述結(jié)構(gòu)修飾型石墨烯結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱導(dǎo)率及熱整流系數(shù)的計(jì)算。
[0008]在恒溫池內(nèi)施加不同溫度，通過(guò)人為調(diào)控原子動(dòng)能交換頻率，使系統(tǒng)處于動(dòng)平衡狀態(tài)，避免產(chǎn)生非線性效應(yīng)，提高熱導(dǎo)率和熱整流計(jì)算精度，同時(shí)盡可能使熱量傳遞的過(guò)程符合現(xiàn)實(shí)情況。結(jié)合溫度和缺陷原子數(shù)這兩變量，利用熱導(dǎo)率公式=K=-^(ClTAlx)，以及熱整流公式:η =(左 r左一右k (右—左) )/ k(右—計(jì)算得出熱導(dǎo)率值和熱整流值，其中K為熱導(dǎo)率值W為熱流密度，dT/dx為溫度梯度；η為熱整流值j (M)為熱流從所述結(jié)構(gòu)修飾型石墨烯結(jié)構(gòu)的左端流向右端時(shí)的熱導(dǎo)率值，k 為熱流從所述結(jié)構(gòu)修飾型石墨烯結(jié)構(gòu)的右端流向左端時(shí)的熱導(dǎo)率值。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，獲得最佳熱整流器件的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)計(jì)算所得結(jié)果證明，本實(shí)用新型基于結(jié)構(gòu)修飾下石墨烯的熱整流器件可應(yīng)用于微納電子器件中進(jìn)行熱管理。
[0009]本實(shí)用新型通過(guò)在微納尺度下進(jìn)行石墨烯結(jié)構(gòu)修飾，其出現(xiàn)的熱整流現(xiàn)象可應(yīng)用于高度集成化、小型化的微納電子器件中，以實(shí)現(xiàn)高密度額外能量的快速傳遞，提高器件的使用壽命。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1基于結(jié)構(gòu)修飾下石墨烯的熱整流器件；
[0011]圖2基于結(jié)構(gòu)修飾下石墨烯線性擬合溫度梯度；
[0012]圖3基于結(jié)構(gòu)修飾下石墨烯在不同溫度條件下量子修正熱導(dǎo)率A隨缺陷原子數(shù)#的變化曲線；
[0013]圖4基于結(jié)構(gòu)修飾下石墨烯在不同溫度條件下熱整流值η隨缺陷原子數(shù)Λ/的變化曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0014]石墨烯是近年來(lái)開發(fā)出來(lái)的一種新型納米薄膜材料，因其力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)特性等優(yōu)點(diǎn)而受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，使其在微納電子器件中具有廣闊的應(yīng)用前景。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的熱整流器件，希望通過(guò)在不同溫度條件下，調(diào)節(jié)缺陷原子數(shù)來(lái)獲得穩(wěn)定的熱導(dǎo)率以及相應(yīng)條件下最大的熱整流數(shù)值。
[0015]為獲得散熱性能優(yōu)秀的納電器件提供理論計(jì)算支持，通過(guò)理論計(jì)算模擬機(jī)構(gòu)修飾下石墨烯的熱學(xué)特性(量子修正熱導(dǎo)率、熱整流系數(shù)等)以縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期及降低成本。首先，通過(guò)仿真軟件設(shè)計(jì)石墨烯原結(jié)構(gòu)，再對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾獲得不對(duì)稱系統(tǒng)，具體見(jiàn)圖1。圖中I為結(jié)構(gòu)修飾型石墨烯，2為Nos6_Hoover恒溫池。
[0016]然后，在結(jié)構(gòu)修飾后的石墨烯兩端的恒溫池施加不同溫度，由于兩端存在溫度差，結(jié)構(gòu)兩端進(jìn)行對(duì)流傳熱，整個(gè)系統(tǒng)形成一個(gè)溫度分布，接著對(duì)其線性部分進(jìn)行線性擬合，獲得溫度梯度，具體見(jiàn)圖2。
[0017]接著,通過(guò)熱導(dǎo)率計(jì)算公式:K = 一 <?/(dT/dx),計(jì)算得出在不同溫度條件下,兩個(gè)方向上熱導(dǎo)率A隨著缺陷原子數(shù)#的變化曲線，具體可見(jiàn)圖3?？梢园l(fā)現(xiàn)，缺陷原子數(shù)N值在比較小時(shí)(N=5)，熱導(dǎo)率下降的比較快，而當(dāng)缺陷原子數(shù)N大到一定值時(shí)(N=25)，熱導(dǎo)率呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)，且熱導(dǎo)率對(duì)于溫度的變化表現(xiàn)的不敏感。這意味著，對(duì)于溫度變化大的環(huán)境，這種結(jié)構(gòu)非常適合用來(lái)制作熱器件以進(jìn)行熱處理。
[0018]最后，通過(guò)熱整流公式:η = ( k (左—右廠k(純、/ <右―砂計(jì)算得出不同溫度條件下，熱整流值n隨缺陷原子數(shù)Λ/的變化曲線，具體見(jiàn)圖4?？梢园l(fā)現(xiàn)，溫度對(duì)于熱整流值的影響不明顯；熱整流值隨著缺陷原子數(shù)的遞增，呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。得出的結(jié)果再次說(shuō)明了，本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的基于結(jié)構(gòu)修飾下石墨烯的熱整流器件的方案是可行的。這將為以后熱整流器件的產(chǎn)品研發(fā)和工業(yè)制造提供了理論基礎(chǔ)，為縮短研發(fā)周期和降低成本具有一定的價(jià)值。 [0019]本實(shí)用新型通過(guò)改變石墨烯自身結(jié)構(gòu)，使整個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部呈現(xiàn)非對(duì)稱性，調(diào)控動(dòng)能交換頻率，利用整流效應(yīng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)熱量傳遞方向的可控制性，提高電子器件的使用壽命。因此，本實(shí)用新型對(duì)于其產(chǎn)品研發(fā)及工業(yè)制造具有一定的理論價(jià)值和指導(dǎo)意義。
【權(quán)利要求】
1.一種結(jié)構(gòu)修飾型石墨烯熱整流器件，其特征在于，包括結(jié)構(gòu)修飾型石墨烯和恒溫池，恒溫池的輸入、輸出端分別連接在結(jié)構(gòu)修飾型石墨烯的兩端，所述結(jié)構(gòu)修飾型石墨烯的結(jié)構(gòu)中含有微納尺度的三角形空位缺陷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)構(gòu)修飾型石墨烯熱整流器件，其特征在于，所述恒溫池采用Nos6_Hoover恒溫池。
【文檔編號(hào)】H01L23/373GK203674195SQ201320392285
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2013年7月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月1日
【發(fā)明者】楊平, 李霞龍, 宮杰, 唐昀青 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)