利用熱電橋法研究懸空單層石墨烯的聲子熱輸運性質(zhì)

現(xiàn)代集成電路工作時產(chǎn)生的廢熱如果沒有及時擴散出去就會導致熱點，可能影響電路的穩(wěn)定性或最終導致器件燒毀。二維材料（包括石墨烯、氮化硼和硫化鉬等）具有很好的導熱性能，是散熱的絕佳材料。在本項目中，我們通過將多層二維材料與微機電系統(tǒng)（MEMS）結(jié)合的方式來研究二維材料熱導性能及相關(guān)物理機理問題：聲子-聲子相互作用。本項目系統(tǒng)研究了單層石墨烯、多層氮化硼和硫化鉬的熱導性能，探討了其物理機理。我們發(fā)現(xiàn)懸空石墨烯中面外ZA聲子決定了其熱導性能；發(fā)現(xiàn)懸空氮化硼熱導率具有尺度效應(yīng)；發(fā)現(xiàn)MoS2熱輸運符合變程跳躍模型。通過該項目的研究，我們提升了對二維材料聲子熱傳導機理的認識，為進一步建立一套全新的二維材料聲子熱傳導理論奠定實驗基礎(chǔ)。 2100433B

因為具有獨特的二維晶格結(jié)構(gòu)和高熱導率，懸空石墨烯是迄今為止研究二維聲子熱傳輸?shù)淖罴哑脚_。然而，由于制備懸空石墨烯樣品存在很大的難度，從而使得對其熱學性質(zhì)的研究仍處于起步階段。本項目將懸空微機電系統(tǒng)（MEMS）和CVD石墨烯相結(jié)合，利用熱電橋法測量不同長度下懸空石墨烯的熱導率，嘗試解決其熱學性質(zhì)中的幾個基本問題：（1）室溫懸空石墨烯的數(shù)值為多少；（2）石墨烯中的三支聲學聲子(LA，TA和ZA)分別對其熱導起著怎樣的作用；（3）石墨烯中是否存在無阻聲子熱傳輸，即彈道聲子熱傳輸；（4）石墨烯與金屬的接觸熱阻問題。

采用量子點陣植入多層膜InGaAs/InGaAsP結(jié)構(gòu)，建立Lennod-Jones (L-J)作用勢分子動力學模型，定量研究不同尺度量子點對整個布里淵聲子散射強度的影響，討論聲子在粗糙界面、曲線界面的穿透率；采用熱反射法測量量子點陣植入的多層膜結(jié)構(gòu)的導熱系數(shù)，結(jié)合分子動力學模型，建立較為精確地描述顆粒尺度對聲子散射強度的關(guān)系式，完善瑞利雜質(zhì)散射模型；在理論研究基礎(chǔ)上，優(yōu)化多層膜厚度、點陣特征尺寸，進一步降低多層膜的導熱系數(shù)，研究目標是使得多層膜的導熱系數(shù)低于相應(yīng)合金值。 2100433B

芯片內(nèi)/芯片間增強冷卻是國家重大戰(zhàn)略需求的關(guān)鍵科學技術(shù)問題，而熱電制冷是芯片冷卻的最好方式之一，但因微型熱電制冷器集成封裝冷卻芯片時制冷溫差驟降，使得實際應(yīng)用中困難巨大。如果能揭示熱電制冷從宏觀到微觀過渡區(qū)間性能轉(zhuǎn)變規(guī)律，那么就可以指導微型熱電制冷器的設(shè)計，為解決芯片冷卻問題提供理論支撐。基于上述背景，本項目展開了以下三部分研究內(nèi)容：(1)基于聲子、電子的Boltzmann輸運方程，建立熱電制冷的界面熱-電輸運模型，分析墊壘層厚度對界面邊界熱阻和電阻的影響，進一步探討界面效應(yīng)對熱電制冷性能的影響；并自主設(shè)計搭建了熱電制冷器物性測試臺，修正物性參數(shù)，使模型精度控制在5%以內(nèi)。(2)通過耦合Boltzmann熱輸運和傅里葉導熱，引入器件熱物性參數(shù)關(guān)聯(lián)接觸熱阻/電阻和邊界熱阻/電阻，建立了微型熱電制冷器的仿真模型，運用多尺度分析方法，研究電子、聲子輸運對器件熱物性參數(shù)的影響，分析了界面效應(yīng)和尺度效應(yīng)對其內(nèi)部溫度分布、制冷溫差、制冷量和COP的影響，優(yōu)化設(shè)計的微型熱電制冷器冷卻通量可達300 W/cm2；基于界面效應(yīng)引起的器件物性參數(shù)變化，提出了一種分段結(jié)構(gòu)的熱電制冷器，可將熱電制冷溫差、制冷量和COP分別提高151.8%, 103.4%, 71.0%。(3)采用數(shù)值和實驗方法研究了微型熱電制冷器冷卻芯片及熱點的特性，分析了微尺度下的脈沖過冷效應(yīng)，探索了冷卻高熱流密度熱點的能力，提出了一種微接觸形式，進一步降低熱點冷卻溫度；并制定和實施了熱電冷卻芯片的溫控策略，提出了熱電冷卻芯片凝露問題的解決方案。