熱整流(TR)作為一種有效的熱管理手段，在各種復(fù)雜的非對稱或異質(zhì)結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的研究。由于實(shí)驗(yàn)條件的原因，許多復(fù)雜的結(jié)構(gòu)不易實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)低于室溫的低溫?zé)嵩囟纫膊环显O(shè)備的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境。在本文中，我們研究了由SiO
2和GaN交替組成的異質(zhì)基底支撐的石墨烯內(nèi)部的熱整流。熱流更容易從覆蓋在SiO
2側(cè)的石墨烯轉(zhuǎn)移到GaN側(cè)。當(dāng)冷浴溫度保持在300k時(shí)，只改變了高溫?zé)嵩〉臏囟?，最大TR率約為52%。TR率可由熱源溫度和尺寸調(diào)節(jié)，當(dāng)熱源尺寸為2 nm，溫度在450 K以上時(shí)，TR率最高。聲子態(tài)密度和參與率揭示了基底和位置對石墨烯中聲子輸運(yùn)的影響。此外，能量密度譜分析證實(shí)了基底效應(yīng)導(dǎo)致石墨烯彎曲聲子模的移動和聲子譜的重構(gòu)，與PDOS吻合,進(jìn)一步解釋了TR散射率和局部化程度的基本機(jī)制。
圖1. 仿真模型示意圖。
圖2. 在熱源溫度為360 K時(shí)，石墨烯與基底對應(yīng)的不同熱流方向典型溫度分布。
圖3. 不同熱源溫度下的TR率。
圖4. 石墨烯在不同熱源溫度(400、460、500、540K)下的典型溫度分布。
圖5. (a)石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)(b) R
L、R
M、R
R的熱電阻。
圖6. 熱源溫度為(a)400 K和(b)540 K的6個(gè)區(qū)域的PDOS。
圖7.六個(gè)區(qū)域兩個(gè)方向的聲子參與率(PR)譜。
圖8. 不同熱浴尺寸下的TR率。
圖9. 不同熱浴尺寸下石墨烯的典型溫度分布。
圖10. 熱源長度為(a)1 nm和(b)5 nm的6個(gè)區(qū)域的PDOS。
圖11. 熱源長度為(a)1 nm和(b)5 nm的6個(gè)區(qū)域的PR。
圖12.(a)300k和(b)600k時(shí)懸浮石墨烯的SED譜，(c)300k和(d)600k時(shí)石墨烯在SiO
2上的SED譜，(e)300k和(f)600k時(shí)石墨烯在GaN上的SED譜。
相關(guān)研究成果由中國石油大學(xué)能源與動力工程系Guofu Chen等人于2022年發(fā)表在Carbon (https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.01.012)上。原文：Thermal rectification effect of pristine graphene induced by vdW heterojunction substrate。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
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