纳器件散热特性研究.doc

H2-林焕-纳器件散热特性研究

纳器件散热特性研究
林焕黄祥青邱凯王琨周克平李亮
（华中科技大学电子科学与技术系0808班武汉430074）

【摘要】本文对碳纳米管导热特性以及其与基底接触时的导热性质和界面热阻效应的研究做简单的综述，首先简要介绍碳纳米管的发展及现状、结构、热学特性及应用，然后我们通过文献调研的结果了解碳纳米管轴向长度、管径及周围温度对其导热特性的影响；其次探讨使碳纳米管热导率提高的方法；随后对碳纳米管与基底接触时的导热性质和界面热阻效应进行分析；接着针对我们上述的分析与问题以及对碳纳米管在实际应用中的前景与存在的问题的展望，提出我们的研究方向；最后简要介绍采用分子动力学方法对碳纳米管导热特性以及其与基底接触时的导热性质和界面热阻效应的研究方法。
【关键字】单壁碳纳米管热导率界面热阻效应分子动力学模拟
一、前言
1.1碳纳米管的发展及现状
碳纳米管，又称巴基管，属富勒碳系，是一种具有特殊结构的一维量子材料。自1991年日本NEC公司基础研究室的电子显微镜专家饭岛在高分辨率透射电子显微镜下检测石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子即碳纳米管以来，在世界范围内引起研究碳纳米管的热潮[1]。碳纳米管因其特殊结构而呈现的低密度，高硬度，高韧性和优异的电学性能，力学性能和光学性能等而备受关注。
饭岛发现的碳纳米管实际上是由一些同心的纳米管状结构组成。在放大50万倍的电子显微镜下，碳纳米管的横截面是由2个或多个同轴管组成，相邻两管的层间距约为近似于石墨晶体中碳原子层片之间的距离的0.34nm，也近似于的半径。饭岛指出这种管状结构是由类似于石墨的六边形网格所组成的管状物，六边形网格的交点即为碳原子所在。同时，碳纳米管一般两端封闭，直径在几纳米到几十纳米之间，长度可达数微米。碳纳米管是碳家族的一个重要成员，是晶形碳的另一种同素异形体，碳纳米管的出现使晶形碳的结构日趋完美。碳纳米管是由不同层数的石墨片卷曲而成的筒状结构。根据其层数的多少，碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。单壁碳纳米管也可以想象为由分子拉长而形成，封口的碳纳米管两端都是半笼形结构，为相应的富勒烯球形分子的一半。多壁碳纳米管可以想象为由不同直径的单壁碳纳米管套装而成。
由于碳纳米管独特的结构，碳纳米管的研究具有重大的理论意义和潜在的应用价值，如其独特的结构是理想的一维模型材料；巨大的长径比使其有望用作坚韧的碳纤维，其强度为钢的100倍，重量则只有钢的1/6；同时它还有望用作为分子导线，纳米半导体材料，催化剂载体，分子吸收剂和近场发射材料等。科学家们还预测碳纳米管将成为21世纪最有前途的纳米材料。虽然碳纳米管的技术性能非常好，但因成本和其它因素，其大规模推广仍将会是一个长期的过程。目前，在各大学的物理系和像IBM那样的公司都在制造碳纳米管，但每克碳纳米管的价格仍然较高。
总体来说，碳纳米管，又称巴基管，属富勒碳系，是一种具有特殊结构的一维量子材料。碳纳米管径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，主要由六边形排列的碳原子构成同轴圆管，层与层之间保持固定的间距，与石墨的层间距相当，约为0.34nm，碳纳米管按其所含有石墨层数的不同可分为单层碳纳米管和多层碳纳米管。单壁碳纳米管才是真正意义上的碳纳米管。因为对于多壁碳纳米管来说，随着直径的增大和层数的增多，其晶化结构很难保证。在很多情况下，碳纳米纤维和多壁碳纳米管很难区分[17]。因而碳纳米管研究领域的发展主要由单壁碳纳米管决定。单壁碳纳米管的结构特点决定了它具有更为独特的性能。目前所合成的单壁碳纳米管通常以范德华力结合在一起而集结成束。分子结构的完整性使单壁碳纳米管具有独特的电学、力学性能和化学稳定性。目前，对单壁碳纳米管的潜在应用正在进行广泛研究。我国对此项研究虽然起步较晚，但发展很快。目前碳纳米化学方兴未艾，内容丰富，前景诱人。通过对碳纳米管的研究，必然带动相应学科的发展。
1.2碳纳米管的结构
研究发现，不同结构的碳纳米管其性能有很大的差异，特别是电学性能，碳纳米管随结构不同可能是导体也可能是半导体。对于一根碳纳米管，当其手性角和手性矢量确定后，其结构也就唯一确定了。下面具体介绍这两个参数的具体意义及对碳纳米管特性的影响。
将碳纳米管展开，即为一层石墨烯层片，如下图所示：

图1.1碳纳米管展开为单层石墨烯层片示意图
为碳纳米管的圆周矢量，也称为手性矢量。图中所示为一个型碳纳米管（图中的），是一个结构单元。

式中n、m是整数，；、为单位矢量，和交角为60°。为碳纳米管的直径（nm），为碳纳米管横切面的周长（nm），可以由下式求出[1]：

式中n、m是整数，；为晶格常数（nm），，。则有[2]：
，
可求得晶格常数。在石墨中，C－C键长为0.142nm；