二维硫属化合物和多晶金刚石的热输运研究

层状二维材料,如二维硫属化合物由于其独一无二的光、电和热性质以及在纳米电子和光电子领域的巨大应用潜力而受到广泛关注。与已被人们广泛研究的光电性质相比,关于二维材料声子热输运性质的研究相对匮乏。二维材料面内声子热输运的研究,对于理解微纳米结构中的能量输运过程具有重要的基础科学意义。同时,二维材料的热输运性质及其调控技术,是器件热管理和性能优化的重要物理依据。本文采用非接触光热拉曼技术系统测量了不同厚度不同尺寸二硒化锡(SnSe_2)纳米薄膜的面内热导率,研究了其厚度依赖性及面内尺寸效应。厚度在9.7~46.3 nm的悬空SnSe_2纳米薄膜具有小于3 W/mK的超低面内热导率,表明SnSe_2纳米薄膜是一种有潜力的候选热电材料。此外,SnSe_2的面内热导率随样品厚度增加而增加,呈现出与石墨烯相反的厚度依赖性。这是由于随着样品厚度增大,声子边界散射减弱,最终导致热导率增大,由此推算出SnSe_2的声子平均自由程约为20 nm。本文还研究了悬空在不同直径圆孔上SnSe_2样品的面内热导率,没有发现明显的面内尺寸效应,这是由于圆孔直径远远大于声子的平均自由程。除高晶格对称二维材料(如SnSe_2)外,二维硫属化合物体系还包含低晶格对称的二维材料,如二硫化铼(ReS_2),这类材料的物理性质通常具有面内各向异性。本文提出以T形狭缝衬底和线光斑来测量ReS_2各向异性面内热导率的实验构思,并通过角分辨拉曼光谱技术有效确定了单晶ReS_2纳米薄膜的晶轴方向。此外,本文采用有限元热模拟方法研究了多晶金刚石薄膜在高功率氮化镓(GaN)晶体管中的热输运性质。多晶金刚石薄膜具有柱状生长导致的各向异性的非均匀热导率。当这种金刚石薄膜与GaN晶体管集成在一起时,器件所实际感知到的有效热导率是未知的。本文通过模拟确定了器件中多晶金刚石薄膜的有效热导率,并研究了材料内部因素(金刚石晶粒晶界热导,晶粒演化速率)与外部因素(GaN与金刚石的界面热阻,GaN器件的几何布局)对有效热导率的影响。研究结果为器件设计和金刚石的生长控制提供了重要指导。