【优博微展2017】王艳磊：低维材料及其界面的热输运机制与模型研究

王艳磊：2017年清华大学优秀博士学位论文二等奖获得者

低维材料及其界面的热输运机制与模型研究

Research on Thermal Transport Mechanismand Model of Low-Dimensional Materials and Their Interfaces 

作    者：王艳磊

指导教师：徐志平 教授

培养院系：航天航空学院             

学    科：力学

读博感言：不抛弃，不放弃！

研究背景/选题意义/研究价值

随着微纳米技术的快速发展，微电子工业、生物工程、航天航空工业等领域生产的材料设备的特征尺寸水平逐渐进入微纳米尺度，引起相关材料的热能密度急剧升高，使得热管理与热设计成为相关领域的一个巨大挑战。石墨烯等低维材料，具有独特的热学、电学以及力学等性质，并在微纳米技术领域有非常广泛的应用，但是由于低维材料自身结构的特殊性，热输运过程的机理与模型均不同于三维材料中的热输运过程。因此，对低维材料的热输运过程的理解，可为低维材料在微纳米领域的应用中的热管理与热设计提供可靠的依据和新的思路。

主要研究内容

通过计算机模拟与理论分析相结合的办法，重点研究低维材料中的晶界以及化学官能团等缺陷、材料无序度以及与其他材料的界面的热输运过程的内在机理与模型。通过分析低维材料中缺陷的声子散射机制，结合有效介质理论，建立了预测多晶石墨烯、氧化石墨烯热输运的理论模型；通过分析材料无序度对热输运过程的影响，结合Allen-Feldman 模型，振动模态分析等理论，揭示了无序度通过引起振动模态局域化而改变材料性质的机制；通过分析范德华力形成的弱耦合界面的热输运过程，应用扩散式的界面热输运模型建立了预测生物纳米界面热耗散的理论模型；通过分析共价键形成的强耦合界面的热输运过程，发现了热输运机制依赖于分子链长度的特性。

结合有效介质模型，预测的多晶石墨烯的热导率与晶粒尺寸的关系，当晶粒尺寸达到微米量级时，与纯石墨烯的差别在5%之内。

应用扩散式的热输运模型建立了预测生物-纳米界面的热输运及热耗散的理论模型，对于石墨烯在生物纳米器件领域的应用有重要的理论指导意义。

主要创新点

1、发现了无序度对低维材料热输运过程的影响，指出无序导致的振动模局域化是影响热导性质的主要机制；

2、发现了范德华力结合的弱耦合界面石墨烯类材料的热输运过程，发现其主要涉及扩散式输运机制，提出了生物纳米界面的热量耗散模型；

3、发现了共价键强耦合界面的热输运过程，给出了分别属于扩散式机制和弹道式机制的具体情形，提出了调控分子结界面热输运的可能途径。

代表性学术发表

WangY, Qin Z, Buehler M J, etal. Intercalatedwater layers promote thermal dissipation at bio-nano interfaces, NatureCommunications,2016, 7:12854.     

WangY, Xu Z, The critical power to maintainthermally stable molecular junctions, NatureCommunications,2014, 5:4297.

WangY, Xu Z, Water intercalation forseamless, electrically insulating and thermally transparent interfaces, ACSApplied Materials & Interfaces, 2016, 8:1970-1976. 

WangY, Song Z, Xu Z,Mechanistic transition of heat conduction in two-dimensional solids: A study ofsilica bilayers, Physical Review B,2015, 92:245427.

Wang Y,Song Z, Xu Z,Characterizing phonon thermal conduction in polycrystalline graphene,Journal of Materials Research,2013, 29:362-372.  

作者：王艳磊

供图：王艳磊

编辑：清华大学研究生院  周明坤  严颖巧