皇家墨尔本理工大学Jie Yang、Yingyan Zhang课题组–石墨烯六方氮化硼范德华异质结构面内热导率的分子动力学模拟

石墨烯、六方氮化硼(h-BN)及其异质结构由于其优异的热性能而成为很有前途的热界面材料。对于异质结构，广泛的工作主要集中在二维(2D)石墨烯/h-BN (GBN)面内异质结构的热传输，其中石墨烯和h-BN在界面处结合。在这项研究中，我们通过非平衡分子动力学(NEMD)模拟研究了三维(3D) GBN范德华(vdW)异质结构的热导率。与2D GBN面内异质结构不同，3D GBN vdW异质结构由三层组成，其中石墨烯通过vdW力夹在两个h-BN片之间。各种技术，包括氢功能化、空位缺陷、拉伸应变、层间耦合强度、h-BN的层数、尺寸效应和温度，被广泛地探索以找到调节热导率的有效途径。发现三层GBN vdW异质结构的热导率对这些外在因素非常敏感。其中，氢官能化是最有效的方法。夹层石墨烯中1%的低氢覆盖率可以导致vdW异质结构的热导率降低55%。石墨烯上的空位缺陷比外层h-BN层中的B或N空位对vdW异质结构的热导率降低产生更显著的影响。这项工作揭示了通过结构改变控制GBN vdW异质结构热输运的物理机制，并为设计基于GBN vdW异质结构的新型热管理器件提供了有用的指导。

图1. (a)GBN vdW异质结构的配置(侧视图)。(b)GBN vdW异质结构的温度分布和热传输的示意模型(俯视图)。

图2. 石墨烯层上不同覆盖量的GBN vdW异质结构的相对TC。插图显示了石墨烯层的结构。

图3. GBN vdW异质结构的PDOS具有(a) 0% H覆盖率，(b) 2.5% H覆盖率，和(c) 25% H覆盖率。(d)不同H覆盖率下石墨烯的PDOS。

图4 .(a)不同空位浓度下GBN vdW异质结构的相对TC。(b)石墨烯层的PDOS。

图5. (a)五层GBN vdW异质结构的配置。(b)跨异质结构传输的能量密度(J+表示从冷区到热区的方向，而J-表示相反的方向)。

图6.(a)不同长度的GBN vdW异质结构的相对TC。(b)GBN vdW异质结构的逆长度和逆TC之间的关系。

图7.(a)GBN vdW异质结构的拉伸应力-应变曲线。不同拉伸应变(b)、不同耦合强度(c)和不同温度(d)下GBN vdW异质结构的相对TC。

相关科研成果由皇家墨尔本理工大学Jie Yang、Yingyan Zhang等人于2022年发表在ACS Applied Materials & Interfaces（https://doi.org/10.1021/acsami.2c14871）上。原文：Molecular Dynamics Simulation on In-Plane Thermal Conductivity of Graphene/Hexagonal Boron Nitride van der Waals Heterostructures。