编号：CYYJ04495
篇名： 氮化镓/石墨烯/金刚石异质界面热输运特性研究
作者： 胡志亮
关键词： 氮化镓/石墨烯/金刚石异质结构; 分子动力学; 界面热导; 传热机理; 调控机理;
机构：桂林电子科技大学
摘要： 随着电子器件尺寸减小,界面传热逐渐成为微纳热管理领域的研究热点。对于高功率氮化镓器件而言,功率密度提升加剧自热效应,热积累问题已成为器件失效的主要因素之一。目前,金刚石基氮化镓技术是解决散热问题的有效途径,但氮化镓/金刚石界面存在较大的热阻,直接影响器件的散热性能。为满足高功率氮化镓器件散热要求,本课题构建氮化镓/石墨烯/金刚石异质结构,采用分子动力学方法研究异质界面的热输运基础及调控特性,从声子输运角度揭示异质界面传热机理与调控机制。具体研究工作如下: 1.氮化镓/石墨烯/金刚石异质界面热输运基础研究。(1)探究引入石墨烯对界面热输运特性的影响,发现引入石墨烯后界面热导增大4倍,石墨烯在界面充当声子桥,能够调节界面声子失配,提升传热性能。同时,与同类散热材料相比,异质结构也具有较好的传热性能。(2)探究两种接触结构对传热的影响,发现Ga-C结构的界面热导是N-C结构的3倍,声子谱显示Ga-C结构的声子截至频率较大,界面声子耦合程度更强。(3)探究异质结构的温度效应,发现在100～500 K范围内,温度升高使界面热导增大2.1倍,温度上升加剧晶格振动,低频声子态数量提升引起界面热导增加。(4)探究异质结构尺寸对界面传热的影响,发现横截面积对界面热导影响不大,但氮化镓和石墨烯层数的增加均使界面热导下降。当氮化镓层数从10层增加到26层时,界面热导降低75%,分析认为是界面声子耦合程度下降导致。另外,堆叠5层石墨烯会使界面热导降低74%,低频声子减少与局域化加重共同造成界面热导减小。(5)探究异质结构的热整流效应,发现氮化镓/石墨烯/金刚石异质结构的热整流效应并不明显。 2.氮化镓/石墨烯/金刚石异质界面热输运调控研究。(1)分别在氮化镓、石墨烯和金刚石中添加缺陷,研究缺陷率、缺陷类型对界面热学特性的影响。当氮化镓缺陷率为0.1时,Ga缺陷使界面热导减小29%,N缺陷减小16%;石墨烯空位缺陷造成界面热导减小,但SW缺陷引起界面热导增加;当金刚石缺陷率增大到10%时,界面热导提高40%。(2)分别在界面构造不同振幅和周期的正弦曲面,探究粗糙度对界面传热的影响。发现振幅和周期数增大均使界面热导增加,这是由于粗糙界面会增强声子散射,提升界面声子耦合程度。(3)利用三种掺杂元素调控界面传热,发现N和B掺杂下界面热导先增大后减小,但Si掺杂下界面热导单调增大。在此基础上,探究两种硅掺杂势函数对结果的影响,发现两种势函数对应的界面热导差异不大。另外,对比线性掺杂和圆形掺杂两种掺杂形貌,结果表明掺杂形貌对界面热导影响不大,但线性掺杂下石墨烯声子谱呈现规律性变化。(4)研究三种氢化结构对界面传热的影响,发现氢化会阻碍界面传热,但界面热导随氢化率增加而增大。由于界面无序和杂化散射破坏了完整的晶格结构,声子局域化导致界面热导下降,但氢原子的引入为界面传热开启了新的声子耦合通道,所以界面热导随氢化率增加而增大。 本研究为设计高效散热异质结构提供了理论依据,异质界面热输运特性研究结果可为氮化镓器件热管理提供理论支持,异质界面热输运关键影响因素与调控机制对突破大功率电子器件散热瓶颈具有重要指导价值。