石墨烯/氮化硼异质结构在集成电路热管理中的应用

01、背景介绍

在过去的十年中，热二极管在许多领域得到了广泛的研究，包括新能源、传感器，特别是集成电路(ICs)热管理。热整流(TR)效应作为热二极管性能的关键因素之一，受到了广泛关注。到目前为止，已有许多方法致力于构建TR效应，其中一种方法是将两种导热系数不同的材料结合起来。近年来，电子器件的尺寸进一步缩小，甚至缩小到纳米尺度，这对于研究纳米材料的TR现象至关重要。

考虑到成本和特殊的晶体结构，二维石墨烯异质结构在构建热整流方面显示出巨大的潜力，氮化硼晶体在结构上与石墨烯非常相似，石墨烯/氮化硼异质结构是热二极管的潜在材料。许多研究结果表明，低温、温度偏差大、样品长度短、界面密度小是热还原的最佳条件，已经取得了一些进展，然而，单层石墨烯/氮化硼异质结构热整流比的长度依赖性研究仍处于起步阶段。

02、成果简介

杭州电子科技大学董源教授团队提出了一个基于二维石墨烯/氮化硼的高效热二极管。利用非平衡分子动力学（NEMD）研究了ReaxFF电位下15-150 nm石墨烯/氮化硼纳米片的界面热输运特性。团队一直致力于ReaxFF电位的分子动力学模拟，之前的工作证明了ReaxFF势在计算低维材料热传导方面的优势。结果表明:热整流存在，且整流率随长度的增加而增大。此外，通过光子光谱详细分析了热整流的来源，从振动模态的角度研究了热整流比的长度依赖性，此项工作将有助于集成电路的热管理。研究成果以“Graphene and 2D Hexagonal Boron Nitride Heterostructure for Thermal Management in Actively Tunable Manner”为题发表于《Nanomaterials》期刊。

03、图文速览

(a)纳米片热二极管模拟系统，由石墨烯和氮化硼(BN)按相等比例连接而成。红色和蓝色虚线分别代表加热区域和冷却区域。热量从石墨烯流向氮化硼(正向)或从氮化硼流向石墨烯(反向)。(b) 50 nm长系统热平衡后达到稳态的温度分布。红色的数据点表示正向方向，蓝色的数据点表示反向方向。(c) C-B-N键形成的界面图。

碳(C)和氮化硼(BN)原子的正向和反向PDOS曲线。(a,b)中间的平面方向(纯C/BN中间区域的原子单位);(c,d)界面面内方向;(e,f)中间离面方向;(g,h)界面的平面外方向。

C和BN原子间正向和反向PDOS的CCF。(a)中间面内方向;(b)界面面内方向;(c)中间离面方向;(d)界面的平面外方向。

15、25、50、75、100、150 nm的石墨烯/氮化硼的前后界面热导及相应的整流比。

碳原子和BN原子在界面(前后)的面外PDOS曲线 (a,b)石墨烯/BN-25 nm;(c,d)石墨烯/BN-100 nm。

C和BN原子间正向和反向PDOS的CCF (a)面外25 nm -石墨烯/BN;(b)面外100nm石墨烯/BN。

审核编辑：郭婷