徐志平等在原子模擬研究中揭示分子電子器件中的熱耗散機制

2020-12-05 清華大學新聞網

徐志平等在原子模擬研究中揭示分子電子器件中的熱耗散機制

　　清華新聞網7月11日電 清華大學工程力學系、清華大學微納米力學中心徐志平研究組近期的研究《分子結器件的臨界熱功率》（The critical power to maintain thermally stable molecular junctions）揭示了分子結器件中的熱耗散機制，並指出了維持其熱穩定性的條件，這一工作於2014年7月9日發表於《自然－通訊》（Nature Communications）期刊，為分子電子器件、熱探針技術等應用設計提供了參考。該論文第一作者為清華大學微納米力學中心研究生王豔磊，通訊作者為徐志平副研究員。

圖為基於原子模擬的研究揭示了分子器件中的熱耗散機制與熱穩定性條件。

　　隨著工業界對電子器件性能需求的提升，其元器件的尺寸不斷減小。分子、納米電子器件由此催生並發展。分子結構作為電子、能量轉換等應用中的關鍵器件，在工作時產生熱量。該熱效應與分子向接觸電極中熱耗散之間的平衡決定了器件自身的溫度。隨著尺度的減小、功率的提高，器件中的熱產變得顯著。實驗數據表明溫升可高達數百開爾文，從而對器件的穩定性造成一定影響，例如引起分子結構強烈的熱致振動，或者使得分子與電極發生脫離等。因此，理解分子器件中的熱耗散過程，提出熱穩定設計準則和性能優化方案成為分子器件應用化的關鍵步驟。然而，人們目前對於分子器件中的熱耗散和熱傳遞過程理解仍頗為有限。

基於原子模擬的研究揭示了分子器件中的熱耗散機制與熱穩定性條件。

圖中所示為金剛石（黃色）/苯分子（灰色）/金剛石分子結結構。

　　在發表於《自然－通訊》的工作中，研究組研究了分子結器件中的熱耗散與輸運過程。他們採用原子模擬研究了金剛石/苯分子/金剛石結構中的熱耗散過程，發現維持該器件穩定運行(溫度上升小於50 開爾文)的臨界功率在1微瓦左右，且此值可通過增加分子結中的苯分子數進行提高。他們的研究進一步指出了分子與熱電極之間熱學接觸對熱耗散效率的影響，發現其接觸熱阻在109開爾文每瓦量級，且受界面處的分子結構、受力、環境溫度等因素影響。這一研究發現為分子、納米電子器件的熱穩定性設計提供了參考與準則。

　　此外，這項研究還指出了基於掃描探針的熱測量技術在實用中的一些局限性。其中分子結構、受力狀態、產熱功率、接觸界面熱阻的影響須進行標定後才能有效地進行材料局部熱學性質的測定。

　　納米尺度界面的電、熱輸運特性對納米電子器件、納米複合材料的應用有重要意義。在之前的研究中，徐志平研究組曾研究了石墨烯、碳納米管等納米材料與基底、接觸材料之間電、熱學性能的工程調控。他們發現通過氣體分子的摻雜可以在保證該界面熱耗散效率的同時實現電學絕緣，為上述應用提供了新的設計思路。

　　徐志平博士於2010年入職於清華大學工程力學系、微納米力學與多學科交叉創新研究中心，任副研究員，研究興趣為微納米尺度下的能量傳遞、轉換過程，材料細觀結構與宏觀性能關聯等物理力學問題，以及這些基礎研究在環境、能源等領域的應用。詳細的研究介紹可參見該研究組主頁(http://www.cel-tsinghua.org)。

　　這些研究工作受到國家自然科學基金委員會、清華大學自主科研項目的資助。研究中的計算模擬工作在清華大學高性能計算中心探索100平臺上完成。

　　文章連結：

　　 http://www.nature.com/ncomms/2014/140709/ncomms5297/full/ncomms5297.html

供稿：航院 編輯：襄樺

 

 

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