CN103425819A - 一种氮掺杂改性石墨烯热整流器件的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了微纳电子制造中一种氮掺杂改性石墨烯热整流器件的设计方法，包括如下步骤：1）根据热整流机制，对石墨烯进行氮原子掺杂，得到单原子三角形氮掺杂的石墨烯结构；2）在氮掺杂石墨烯结构的两端施加恒温池，用来施加不同温度；3）通过人为方式不断调控原子动能的交换频率以寻求最佳对流传热系数；4）对于不同温度条件下所述石墨烯结构进行热导率及热整流系数的计算。本发明的设计方法通过氮原子掺杂替换碳原子改变石墨烯结构，使整个结构内部呈现非对称性，调控动能交换频率，利用整流效应机制，实现热量传递方向的可控制性，提高电子器件的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及微纳电子制造中的一种氮掺杂改性石墨烯热整流器件的设计方法。
背景技术
随着半导体技术和MEMS技术的飞速发展，电子器件表现出高度集成化和小型化的特点。微纳电子元器件组装密度的提高，使其组件内部热流密度也在迅速增加。高密度额外能量能否高效、迅速的转移，将直接影响电子元器件的使用寿命。因此，微纳尺度下的热控制问题应得到工程界和学术界的广泛重视。石墨烯，一种拥有完美性能的新型材料，其优秀的热学特性，被广泛设计为热整流器、热晶体管、热逻辑门、热记忆等器件来控制高密度额外热量的传递方向。因此，在热整流器件的设计研发过程中，利用计算机仿真模拟计算氮元素掺杂几何形态及特性分析，将对降低热整流器件的研发成本及缩短研发周期有重要意义。
发明内容
针对微纳电子器件中高密度额外能量转移问题，本发明的目的是在微纳电子制造中提供一种氮掺杂改性石墨烯热整流器件的设计方法，以解决高度集成化、微尺度化下电子器件热量排出效率低的问题，此设计方法控制热量传递方向，能提高电子器件的使用寿命。
本发明采用的技术方案如下：
微纳电子制造中一种氮掺杂改性石墨烯热整流器件的设计方法，依次采用如下步骤：1）根据热整流机制，对石墨烯进行氮原子掺杂，得到单原子氮掺杂的石墨烯结构；2）在氮掺杂石墨烯结构的两端施加恒温池，用来施加不同温度；3）不断调控原子动能的交换频率以寻求最佳对流传热系数；4）对于不同温度条件下所述氮掺杂石墨烯结构进行热导率及热整流系数的计算。
所述步骤1）的具体过程为：基于热整流机制中不对称系统的要求，在微纳尺度下对石墨烯进行单原子氮掺杂，掺杂后的氮原子形成三角形的排列，以达到石墨烯结构的不对称性。氮掺杂石墨烯结构长度为10.35nm，宽度为3.8nm，氮原子个数为10，每列氮原子之间间距相等，整个单原子三角形氮掺杂结构位置位于石墨烯结构的正中。
所述步骤2）中的恒温池采用Nosé-Hoover恒温池，通过计算机仿真施加在石墨烯结构的左右两端，以实现模拟现实中热量传递的效果。
在恒温池内施加不同温度，通过人为调控原子动能交换频率，使系统处于动平衡状态，避免产生非线性效应，提高热导率和热整流计算精度，同时尽可能使热量传递的过程符合现实情况。结合温度这一变量，利用热导率公式：K＝－q/(dT/dx)，以及热整流公式：η=( k (左 → 右) - k （右→ 左） )/ k （右 → 左） ，计算得出不同温度条件下所述氮掺杂石墨烯结构的热导率值和热整流值，通过数据分析，获得最佳热整流器件的设计方案。通过计算所得结果证明，基于氮掺杂改性石墨烯的热整流器件可应用于微纳电子器件中进行热管理。
本发明通过在微纳尺度下进行氮原子掺杂，其出现的热整流现象可应用于高度集成化、小型化的微纳电子器件中，以实现高密度额外能量的快速传递，提高器件的使用寿命。
附图说明
图1 基于氮掺杂改性石墨烯的热整流器件；
图2 基于氮掺杂改性石墨烯线性拟合温度梯度；
图3 基于氮掺杂改性石墨烯量子修正热导率k随温度的变化曲线；
图4 基于氮掺杂改性石墨烯热整流值η随温度的变化曲线。
具体实施方式
自2004年石墨烯的横空出世，其优秀的力学、电学、光学、热学特性及其在微纳电子元器件中应用的巨大潜力，受到了国内外学者广泛关注。本发明为设计热整流器件，希望通过调节温度，来实现真实工作环境的模拟，以获得各温度下热导率及相应条件下最大的热整流数值。
为获得散热性能优秀的纳电器件提供理论计算支持，通过理论计算模拟氮掺杂石墨烯的热学特性（量子修正热导率、热整流系数等）以缩短新产品的研发周期及降低成本。首先，通过仿真软件设计石墨烯原结构，再对其进行氮原子掺杂得到不对称系统，具体见图1。图中1为掺杂元素氮，氮原子个数为10，2为恒温池。
然后，在氮掺杂石墨烯结构两端的恒温池施加不同温度，由于两端存在温度差，结构两端进行对流传热，整个系统形成一个温度分布，接着对其线性部分进行线性拟合，获得温度梯度，具体见图2。
接着，通过热导率计算公式：K＝－q/(dT/dx)，计算得出热流施加在两个方向上热导率k随着温度的变化曲线，具体可见图3。
最后，通过热整流公式：η=( k (左 → 右) - k （右→ 左） )/ k （右 → 左） ，计算得出热整流值η随温度的变化曲线，具体见图4。可以发现，热整流数值随温度的增高而呈现减小趋势，在低温时(200K)热整流效率较高。当模拟温度达到600K时，热整流值出现一负值，这一负值对于热晶体管的设计极其有价值。本发明的结果将为以后热整流器件的产品研发和工业制造提供了理论基础，为缩短研发周期和降低成本具有一定的价值。
本发明的设计方法通过氮元素掺杂改变石墨烯结构，使整个结构内部呈现非对称性，调控动能交换频率，利用整流效应机制，实现热量传递方向的可控制性，提高电子器件的使用寿命。因此，本发明基于氮掺杂改性石墨烯热整流器件的设计方法对于其产品研发及工业制造具有一定的理论价值和指导意义。
Claims (6)
1.一种氮掺杂改性石墨烯热整流器件的设计方法，其特征在于，依次采用如下步骤：
1）根据热整流机制，对石墨烯进行氮原子掺杂，得到单原子氮掺杂石墨烯结构；
2）在氮掺杂石墨烯结构的两端施加恒温池，用来施加不同温度；
3）不断调控原子动能的交换频率以寻求最佳对流传热系数；
4）对于不同温度条件下所述的氮掺杂石墨烯结构进行热导率及热整流系数的计算。
2.根据权利要求1所述的一种氮掺杂改性石墨烯热整流器件的设计方法，其特征在于，所述步骤1）的具体过程为：基于热整流机制中不对称系统的要求，在微纳尺度下对石墨烯进行单原子氮掺杂，掺杂的氮原子形成三角形的排列，以达到石墨烯结构的不对称性。
3.根据权利要求2所述的一种氮掺杂改性石墨烯热整流器件的设计方法，其特征在于，所述氮掺杂石墨烯结构长度为10.35nm，宽度为3.8nm，掺杂的氮原子个数为10，每列氮原子之间间距相等，整个单原子三角形氮掺杂结构位置位于石墨烯结构的正中。
4.根据权利要求1所述的一种氮掺杂改性石墨烯热整流器件的设计方法，其特征在于，所述步骤2）中恒温池采用Nosé-Hoover恒温池，通过计算机仿真施加在石墨烯结构的左右两端，用来模拟现实中热量传递。
5.根据权利要求1所述的一种氮掺杂改性石墨烯热整流器件的设计方法，其特征在于，所述步骤3）中采用人为的方式调控原子动能的交换频率。
6.根据权利要求1所述的一种氮掺杂改性石墨烯热整流器件的设计方法，其特征在于，所述步骤4）的计算步骤如下：
（1）根据温度这一变量，利用热导率公式：K＝－q/(dT/dx)，以及热整流公式：η=( k (左→右) - k （右→左） )/ k （右→左） ，计算得出每个温度下所述氮掺杂石墨烯结构的热导率和热整流值，其中K为热导率值，q为热流密度，dT/dx为温度梯度；η为热整流值，k (左→右) 为热流从左端流向右端时的热导率值，k （右→左） 为热流从右端流向左端时的热导率值；（2）通过以上数据分析，获得最佳热整流器件的设计方案。
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