[發明專利]一種氮摻雜改性石墨烯熱整流器件的設計方法

無效

• 申請號: 201310289825.5
• 申請日: 2013-07-10
• 公開（公告）號: CN103425819A
• 公開（公告）日: 2013-12-04
• 發明（設計）人: 楊平;李霞龍;宮杰;唐昀青;劉玉
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 李媛媛

技術領域

本發明涉及微納電子制造中的一種氮摻雜改性石墨烯熱整流器件的設計方法。

背景技術

隨著半導體技術和MEMS技術的飛速發展，電子器件表現出高度集成化和小型化的特點。微納電子元器件組裝密度的提高，使其組件內部熱流密度也在迅速增加。高密度額外能量能否高效、迅速的轉移，將直接影響電子元器件的使用壽命。因此，微納尺度下的熱控制問題應得到工程界和學術界的廣泛重視。石墨烯，一種擁有完美性能的新型材料，其優秀的熱學特性，被廣泛設計為熱整流器、熱晶體管、熱邏輯門、熱記憶等器件來控制高密度額外熱量的傳遞方向。因此，在熱整流器件的設計研發過程中，利用計算機仿真模擬計算氮元素摻雜幾何形態及特性分析，將對降低熱整流器件的研發成本及縮短研發周期有重要意義。

發明內容

針對微納電子器件中高密度額外能量轉移問題，本發明的目的是在微納電子制造中提供一種氮摻雜改性石墨烯熱整流器件的設計方法，以解決高度集成化、微尺度化下電子器件熱量排出效率低的問題，此設計方法控制熱量傳遞方向，能提高電子器件的使用壽命。

本發明采用的技術方案如下：

微納電子制造中一種氮摻雜改性石墨烯熱整流器件的設計方法，依次采用如下步驟：1）根據熱整流機制，對石墨烯進行氮原子摻雜，得到單原子氮摻雜的石墨烯結構；2）在氮摻雜石墨烯結構的兩端施加恒溫池，用來施加不同溫度；3）不斷調控原子動能的交換頻率以尋求最佳對流傳熱系數；4）對于不同溫度條件下所述氮摻雜石墨烯結構進行熱導率及熱整流系數的計算。

所述步驟1）的具體過程為：基于熱整流機制中不對稱系統的要求，在微納尺度下對石墨烯進行單原子氮摻雜，摻雜后的氮原子形成三角形的排列，以達到石墨烯結構的不對稱性。氮摻雜石墨烯結構長度為10.35nm，寬度為3.8nm，氮原子個數為10，每列氮原子之間間距相等，整個單原子三角形氮摻雜結構位置位于石墨烯結構的正中。

所述步驟2）中的恒溫池采用Nosé-Hoover恒溫池，通過計算機仿真施加在石墨烯結構的左右兩端，以實現模擬現實中熱量傳遞的效果。

在恒溫池內施加不同溫度，通過人為調控原子動能交換頻率，使系統處于動平衡狀態，避免產生非線性效應，提高熱導率和熱整流計算精度，同時盡可能使熱量傳遞的過程符合現實情況。結合溫度這一變量，利用熱導率公式：K＝－q/(dT/dx)，以及熱整流公式：η=(?k_{?(左?→?右)}-?k_{（右→?左）})/?k_{（右?→?左）}，計算得出不同溫度條件下所述氮摻雜石墨烯結構的熱導率值和熱整流值，通過數據分析，獲得最佳熱整流器件的設計方案。通過計算所得結果證明，基于氮摻雜改性石墨烯的熱整流器件可應用于微納電子器件中進行熱管理。

本發明通過在微納尺度下進行氮原子摻雜，其出現的熱整流現象可應用于高度集成化、小型化的微納電子器件中，以實現高密度額外能量的快速傳遞，提高器件的使用壽命。

附圖說明

圖1?基于氮摻雜改性石墨烯的熱整流器件；

圖2?基于氮摻雜改性石墨烯線性擬合溫度梯度；

圖3?基于氮摻雜改性石墨烯量子修正熱導率k隨溫度的變化曲線；

圖4?基于氮摻雜改性石墨烯熱整流值η隨溫度的變化曲線。

具體實施方式

自2004年石墨烯的橫空出世，其優秀的力學、電學、光學、熱學特性及其在微納電子元器件中應用的巨大潛力，受到了國內外學者廣泛關注。本發明為設計熱整流器件，希望通過調節溫度，來實現真實工作環境的模擬，以獲得各溫度下熱導率及相應條件下最大的熱整流數值。

為獲得散熱性能優秀的納電器件提供理論計算支持，通過理論計算模擬氮摻雜石墨烯的熱學特性（量子修正熱導率、熱整流系數等）以縮短新產品的研發周期及降低成本。首先，通過仿真軟件設計石墨烯原結構，再對其進行氮原子摻雜得到不對稱系統，具體見圖1。圖中1為摻雜元素氮，氮原子個數為10，2為恒溫池。

然后，在氮摻雜石墨烯結構兩端的恒溫池施加不同溫度，由于兩端存在溫度差，結構兩端進行對流傳熱，整個系統形成一個溫度分布，接著對其線性部分進行線性擬合，獲得溫度梯度，具體見圖2。