文档介绍：中国工程热物理学会学科类别(传热传质学)
学术会议论文编号:123209
碳纳米管Y形分子结的
热导率与热整流现象
李威,冯妍卉*,唐晶晶,张欣欣
(北京科技大学,北京 100086)
(*Tel:01062333874, Email:******@.)
摘要:
本文基于碳纳米管Y形分子结的结构重构,通过非平衡分子动力学方法和量子修正,模拟分析了Y形分子结的热导率和热整流现象。研究表明:相对单根完整碳管,Y形分子结在不同温度下导致热导率大约12~85%的下降;Y结主干向分支方向的导热能力强于分支向主干方向的导热能力;Y结降低热导率的作用随着温度的升高逐渐减小;Y结的热整流效果随着温度的上升先减弱后增强。
关键词:碳纳米管;热导率;热整流;分子结
1 前言
近年来,碳纳米管以其极高的热导率、独特的一维输运结构,为微纳电子器件的散热提供了一个重要途径,因此受到研究界的广泛关注。但是碳管实际生成过程中常常伴随着各式缺陷,影响碳管的各种输运性质,显著降低碳管的热导率。
不过,事物的存在往往具有两面性。若善加利用碳管的某些缺陷,可能会带来意想不到的收获。比如,在CVD方法生成碳纳米管的过程中往往不可避免地产生碳纳米管Y形分子结,如图1[1]。研究者们已经从实验、理论上证实Y结存在着显著的电整流现象[2-5]。鉴于导电与导热存在千丝万缕的联系,Y结的热整流现象也开始引起研究者的注意[6]。Y结的热整流具有广阔的实际应用前景,例如设计热二极管(thermal diodes)、热晶体管(thermal transistors)以及热逻辑回路(thermal logic circuits),可应用于纳米尺度的量热计、微尺度的制冷机以及保温材料等[7]。
图1 CVD方法生成的Y形碳纳米管分子结[1]
热整流现象指的是材料内沿着不同方向的热流输运能力不同,1936年Starr通过实验在铜和氧化亚铜的界面处
偶然发现该现象[8]。对于碳管而言,掺杂不同元素[9],存在不同材料的界面结构[10],不同手性的碳管相接[11]等,都可能引起热整流现象。研究碳纳米管Y形分子结的热整流,即是研究Y结由两个分支向主干导热与由主干向分支导热能力的差异,而热整流能力取决于两个方向热导率的差异。因此,可定义热整流系数η为[12]:
(1)
式中是从左向右方向的热导率,是从右向左方向的热导率。
本文拟通过分子动力学方法研究碳纳米管Y形分子结的热整流现象,并分析温度影响因素。尝试揭示Y形碳纳米管分子结热整流的本质,为可能的实际应用提供理论依据。
2 模型与方法
Y结的结构重构
Y形碳纳米管分子结可以看作是由三根独立的碳管相接而成。本文针对的Y结,由一根(10,10)碳管主干(stem)与两根(10,0)碳管分支(branches)连接得到,如图2所示。图中红色部分为连接处,由8个五元环,4个七元环,5个八元环组成。
主视图(b) 侧视图

碳纳米管的基本结构是六边形,C原子间由sp2杂化键连接,sp2杂化键的强相互作用保证了碳管的稳定性。即便是缺陷结构的碳纳米管,也需要保证sp2杂化键的连接状态。因此Y形碳纳米管分子结中C碳原子的连键需要满足众所周知的欧拉公式[13]。欧拉公式