石墨烯、六方氮化硼(h-BN)及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)由于其優(yōu)異的熱性能而成為很有前途的熱界面材料。對于異質(zhì)結(jié)構(gòu)，廣泛的工作主要集中在二維(2D)石墨烯/h-BN (GBN)面內(nèi)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的熱傳輸，其中石墨烯和h-BN在界面處結(jié)合。在這項研究中，我們通過非平衡分子動力學(xué)(NEMD)模擬研究了三維(3D) GBN范德華(vdW)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率。與2D GBN面內(nèi)異質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，3D GBN vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)由三層組成，其中石墨烯通過vdW力夾在兩個h-BN片之間。各種技術(shù)，包括氫功能化、空位缺陷、拉伸應(yīng)變、層間耦合強(qiáng)度、h-BN的層數(shù)、尺寸效應(yīng)和溫度，被廣泛地探索以找到調(diào)節(jié)熱導(dǎo)率的有效途徑。發(fā)現(xiàn)三層GBN vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率對這些外在因素非常敏感。其中，氫官能化是最有效的方法。夾層石墨烯中1%的低氫覆蓋率可以導(dǎo)致vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率降低55%。石墨烯上的空位缺陷比外層h-BN層中的B或N空位對vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率降低產(chǎn)生更顯著的影響。這項工作揭示了通過結(jié)構(gòu)改變控制GBN vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)熱輸運的物理機(jī)制，并為設(shè)計基于GBN vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)的新型熱管理器件提供了有用的指導(dǎo)。
圖1. (a)GBN vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)的配置(側(cè)視圖)。(b)GBN vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)的溫度分布和熱傳輸?shù)氖疽饽Ｐ?俯視圖)。
圖2. 石墨烯層上不同覆蓋量的GBN vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)的相對TC。插圖顯示了石墨烯層的結(jié)構(gòu)。
圖3. GBN vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)的PDOS具有(a) 0% H覆蓋率，(b) 2.5% H覆蓋率，和(c) 25% H覆蓋率。(d)不同H覆蓋率下石墨烯的PDOS。
圖4 .(a)不同空位濃度下GBN vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)的相對TC。(b)石墨烯層的PDOS。
圖5. (a)五層GBN vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)的配置。(b)跨異質(zhì)結(jié)構(gòu)傳輸?shù)哪芰棵芏?J+表示從冷區(qū)到熱區(qū)的方向，而J-表示相反的方向)。
圖6.(a)不同長度的GBN vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)的相對TC。(b)GBN vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)的逆長度和逆TC之間的關(guān)系。
圖7.(a)GBN vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。不同拉伸應(yīng)變(b)、不同耦合強(qiáng)度(c)和不同溫度(d)下GBN vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)的相對TC。
相關(guān)科研成果由皇家墨爾本理工大學(xué)Jie Yang、Yingyan Zhang等人于2022年發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces（https://doi.org/10.1021/acsami.2c14871）上。原文：Molecular Dynamics Simulation on In-Plane Thermal Conductivity of Graphene/Hexagonal Boron Nitride van der Waals Heterostructures。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
