利用热电桥法研究悬空单层石墨烯的声子热输运性质结题摘要

现代集成电路工作时产生的废热如果没有及时扩散出去就会导致热点，可能影响电路的稳定性或最终导致器件烧毁。二维材料（包括石墨烯、氮化硼和硫化钼等）具有很好的导热性能，是散热的绝佳材料。在本项目中，我们通过将多层二维材料与微机电系统（MEMS）结合的方式来研究二维材料热导性能及相关物理机理问题：声子-声子相互作用。本项目系统研究了单层石墨烯、多层氮化硼和硫化钼的热导性能，探讨了其物理机理。我们发现悬空石墨烯中面外ZA声子决定了其热导性能；发现悬空氮化硼热导率具有尺度效应；发现MoS2热输运符合变程跳跃模型。通过该项目的研究，我们提升了对二维材料声子热传导机理的认识，为进一步建立一套全新的二维材料声子热传导理论奠定实验基础。 2100433B

因为具有独特的二维晶格结构和高热导率，悬空石墨烯是迄今为止研究二维声子热传输的最佳平台。然而，由于制备悬空石墨烯样品存在很大的难度，从而使得对其热学性质的研究仍处于起步阶段。本项目将悬空微机电系统（MEMS）和CVD石墨烯相结合，利用热电桥法测量不同长度下悬空石墨烯的热导率，尝试解决其热学性质中的几个基本问题：（1）室温悬空石墨烯的数值为多少；（2）石墨烯中的三支声学声子(LA，TA和ZA)分别对其热导起着怎样的作用；（3）石墨烯中是否存在无阻声子热传输，即弹道声子热传输；（4）石墨烯与金属的接触热阻问题。

采用量子点阵植入多层膜InGaAs/InGaAsP结构，建立Lennod-Jones (L-J)作用势分子动力学模型，定量研究不同尺度量子点对整个布里渊声子散射强度的影响，讨论声子在粗糙界面、曲线界面的穿透率；采用热反射法测量量子点阵植入的多层膜结构的导热系数，结合分子动力学模型，建立较为精确地描述颗粒尺度对声子散射强度的关系式，完善瑞利杂质散射模型；在理论研究基础上，优化多层膜厚度、点阵特征尺寸，进一步降低多层膜的导热系数，研究目标是使得多层膜的导热系数低于相应合金值。 2100433B

芯片内/芯片间增强冷却是国家重大战略需求的关键科学技术问题，而热电制冷是芯片冷却的最好方式之一，但因微型热电制冷器集成封装冷却芯片时制冷温差骤降，使得实际应用中困难巨大。如果能揭示热电制冷从宏观到微观过渡区间性能转变规律，那么就可以指导微型热电制冷器的设计，为解决芯片冷却问题提供理论支撑。基于上述背景，本项目展开了以下三部分研究内容：(1)基于声子、电子的Boltzmann输运方程，建立热电制冷的界面热-电输运模型，分析垫垒层厚度对界面边界热阻和电阻的影响，进一步探讨界面效应对热电制冷性能的影响；并自主设计搭建了热电制冷器物性测试台，修正物性参数，使模型精度控制在5%以内。(2)通过耦合Boltzmann热输运和傅里叶导热，引入器件热物性参数关联接触热阻/电阻和边界热阻/电阻，建立了微型热电制冷器的仿真模型，运用多尺度分析方法，研究电子、声子输运对器件热物性参数的影响，分析了界面效应和尺度效应对其内部温度分布、制冷温差、制冷量和COP的影响，优化设计的微型热电制冷器冷却通量可达300 W/cm2；基于界面效应引起的器件物性参数变化，提出了一种分段结构的热电制冷器，可将热电制冷温差、制冷量和COP分别提高151.8%, 103.4%, 71.0%。(3)采用数值和实验方法研究了微型热电制冷器冷却芯片及热点的特性，分析了微尺度下的脉冲过冷效应，探索了冷却高热流密度热点的能力，提出了一种微接触形式，进一步降低热点冷却温度；并制定和实施了热电冷却芯片的温控策略，提出了热电冷却芯片凝露问题的解决方案。