本科毕业论文石墨烯光电探测器

本科毕业论文石墨烯光电探测器

成果简介

这种高灵敏度和宽带 p-n 结光电探测器显示出 405 至 2000 nm 的宽检测范围，响应度约为 10 6入射功率为 24 pW (λ = 1064 nm) 时 的 W -1和 10 14 Jones的高探测率。特别是，实现了 23 ms/ 23 ms 的快速上升/下降时间。基于石墨烯的 LiNbO 3（体）光电探测器显示出更高的响应度，而基于石墨烯的 LiNbO 3（薄膜）光电探测器具有更快的响应时间。这项工作不仅深化和扩展了二维材料和铁电材料的基础研究，而且展示了掺杂石墨烯材料在高性能光电探测方面的巨大潜力。

图文导读

图1、基于石墨烯的 LiNbO 3光电探测器的结构图。

图2、石墨烯基LiNbO 3光电探测器的制备。a) 光电探测器制备过程示意图。b) 所制造器件的光学显微镜

图3、用于测试由 x-cut LiNbO 3产生的热电效应的装置系统。

图4、a) 器件发光时的热释电电荷分布。b) 器件不发光时的热释电电荷分布。小箭头代表局部铁电极化方向。c) 由连接到电极 1-2 的装置测量的热电流。d) 由连接到电极 3-4 的装置测量的热电流。e) 由连接到电极 1-3 的设备测量的热电流。f) 由连接到电极 2-4 的装置测量的热电流。

图5、分别由 a) 405、b) 808、c) 1064 和 d) 2000 nm 激光器照射的基于石墨烯的 LiNbO 3（薄膜）光电探测器的响应时间。（V偏置 = 0 V）。

图6、a)样品在相同环境下的电流-电压（I - V）曲线。黑色、蓝色和红色线分别代表电极 1-3、电极 2-4 和电极 1-2 之间的测量值（参见插图）。b) 器件在 p-n 结状态下的能带图。

小结

总之，我们制造了具有增强的 LiNbO 3局部铁电极化的高灵敏度宽带石墨烯光电探测器。基于石墨烯的 LiNbO 3（体）光电探测器显示出高响应度，基于石墨烯的 LiNbO 3（薄膜）光电探测器具有快速响应时间。 二维材料和铁电材料的结合是下一代高性能光电器件的一个有吸引力的研究领域。对基于石墨烯的 LiNbO 3光电探测器的研究为下一代多功能、节能和光电应用的发展铺平了道路。

文献：

风里雨里，我在这里等你～ 美国爱荷华州立大学研制出一种利用石墨烯表面等离子体探测红外光的控制器，能有效解决传统红外探测器响应速度慢、空间分辨率低、无法室温工作等问题。 这种探测器由石墨烯纳米盘和石墨烯纳米带两种结构构成，二者交替连接形成紧密的传感阵列。其中，石墨烯纳米盘作为表面等离子体谐振器，可强烈吸收红外光，受到红外光谐振激发后会产生谐振的表面等离子体。表面等离子体接下来会发生衰减，产生热电子。带隙大小一定的石墨烯纳米带是检测这些热电子的关键。石墨烯纳米带因制造过程中随机形成的边缘粗糙度或电荷杂质，带隙会发生变化，形成一系列杂乱的势垒。这些势垒会阻碍冷电子跃迁，但不影响热电子。利用热电子产生的电信号即可探测红外光。 探测器结构图，其中GND为石墨烯纳米盘，GNR为石墨烯纳米带 这种石墨烯红外探测器具有灵敏度高、尺寸小、响应速度快等优点，符合传统纳米制造工艺标准，能够大规模生产，可用于高速热成像、自由空间通信等。 （蓝海星） 文章推荐 1 可探测海水中微弱电场的镍酸钐传感器 2 美国水下探测技术发展综述 3 美国海军宣布“沿海战场侦察和分析”水雷探测系统实现初始作战能力 4 美国海军舰队预警探测能力分析 5 美军利用基因工程改变海洋微生物，探测敌军潜艇 欢迎转载，转载请注明出处。

毕业论文石墨烯硅光电探测器

来自日本，俄罗斯，意大利和英国的一组国际研究人员开发出一种新型基于石墨烯的太赫兹探测器。由双层石墨烯制成的晶体管沟道夹在两个六方氮化硼晶体之间。将该结构置于氧化硅衬底上（以灰色显示）。太赫兹天线的两个套管连接在源极和顶部栅极之间，即左侧和顶部电极以金色显示。在源极和漏极端子 - 右侧和左侧电极之间读取信号电压。 任何用于无线数据传输的系统通常都依赖于电磁波探测器和信号源; 然而，它们不适用于各种波浪。现有的太赫兹辐射源需要强冷却或消耗大量功率。太赫兹辐射通常占据红外光和微波之间的中心地面。然而，T波可能通过射电望远镜研究空间物体，允许更快的Wi-Fi，并促进医学诊断的创新技术。 现有的太赫兹探测器是低效的，因为晶体管的尺寸（大约百万分之一米的探测元件）与太赫兹辐射的标准波长之间的不匹配是大约100倍。这导致波在没有相互作用的情况下滑过探测器。 在1996年，有人建议通过将入射波的能量压缩到与探测器大小相似的体积来解决这个问题。因此，为此目的，探测器材料必须能够支持独特类型的“紧凑波”，称为等离子体。它们表示传导电子和相关电磁场的组合运动，类似于风暴进入时随风一起移动的表面海浪。理论上，在波共振下，这种探测器的效率进一步提高。 然而，与预期相反，事实证明实施这种探测器相当困难。在大多数半导体材料中，等离子体激发器经历快速阻尼 - 换句话说，它们会因为与杂质的电子碰撞而消失。石墨烯被视为潜在的替代品; 然而，直到最近，这也不够干净。 该研究的作者提出了一个解决方案，解决与检测共振T波有关的普遍存在的问题。他们最终开发出一种光电探测器，由双层石墨烯组成，封装在氮化硼晶体中，并附着在太赫兹天线上。在这种夹层布置中，杂质被迫到石墨烯薄片的外部，允许等离子体以自由的方式传播。受金属引线的限制，石墨烯片形成等离子体共振器，石墨烯的双层结构使得可以在宽范围内调节波速。 实际上，物理学家已经创造了一种紧凑的太赫兹光谱仪，其尺寸仅为几微米，其谐振频率通过电压调谐来调节。该团队还证明了探测器可能用于重要的研究：通过在许多电子密度和频率下确定探测器的电流，可以暴露等离子体的特性。

纳米材料3D结构石墨烯和量子点的光电探测器芯片

多年来，仅一或几个原子厚的二维纳米材料就在材料科学界风靡一时。以石墨烯为例。这种单层的碳原子产生的材料比钢强数百倍，具有高导电性和超柔韧性。

加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的纳米工程教授Oscar Vazquez-Mena正在将这些类型的材料推向新的高度。他的研究专注于将不同的纳米级材料以3D形式集成在一起，以创建用于环境监测，能量收集和生物医学应用的全新设备。Vazquez-Mena最近因国家研究基金会的一个此类项目而获得了为期五年，50万美元的职业奖。

该项目涉及将石墨烯与被称为量子点的半导体纳米粒子相结合，以创建能够"看到"人眼不可见的各种不同波长的光（例如红外和紫外线）的设备。这些被称为多光谱光电探测器的设备可以使相机拍摄感染，有毒气体和有害辐射的照片。检查食品质量或污染；并监测空气和水的质量。他们还可以在夜间和有雾的时候帮助视力。

集成石墨烯和量子点的芯片。

Vazquez-Mena的方法将使这些设备超薄。他说："由于我们正在使用纳米材料，因此原则上我们可以设计非常薄的光电探测器，其厚度约为1微米，可以很容易地集成到智能手机和其他移动设备中，以便在实验室外方便地部署。"

用超声波对大脑成像

在另一个项目中，巴斯克斯-梅纳（Vazquez-Mena）正在堆叠纳米结构以构建3D阵列，该阵列可以使超声波穿过头骨并对人脑进行非侵入式成像和刺激。这样的技术将对治疗脑部疾病和创伤很有用，而无需打开颅骨或将电线和植入物插入大脑。它还可以使医生迅速诊断出患者的脑部创伤，而不必执行昂贵的MRI扫描。

要使超声波穿过颅骨并进入大脑并非易事。人类的头颅骨相对较厚且密集，因此它可以反射或吸收超声波，然后才能将其送入大脑。

为了克服这个障碍，Vazquez-Mena正在设计一种特殊的材料，称为超材料，该材料由纳米结构组成，可以抵消头骨产生的反射，并从根本上重定向超声波穿过头骨。该超材料由氮化硅和微尺度声腔的纳米薄膜。两个组件以3D阵列的形式排列在一起，可使材料以常规材料无法完成的方式操纵声波。

Vazquez-Mena说："这是基于纳米材料构建3D结构的另一个例子，该结构可实现令人兴奋的新特性。"

导读

背景

光子学（photonics）是研究作为信息和能量载体的光子的行为及其应用的学科。光子学及其发展的相关技术即光子技术，具有丰富的内涵和广阔的应用前景。如果你使用智能手机、笔记本电脑、平板电脑，那么就有望从光子学的研究中获益。

创新

近日，美国特拉华大学电气与计算机工程系助理教授 Tingyi Gu 领导的一支团队正在开发光子器件方面的前沿技术，该技术可以使得器件之间以及使用者之间的通信速度更快。

最近，该研究小组设计出一种“硅-石墨烯”器件，它能以亚太赫兹的带宽，在一皮秒之内发射无线电波。这样不仅可携带更多信息，而且速度也更快。他们的研究近期发表在《美国化学会应用电子材料（ACS Applied Electronic Materials）》期刊上。

论文第一作者、研究生 Dun Mao 表示：“在这项研究中，我们仔细研究了用于未来光电子应用的集成石墨烯的硅光子器件的带宽限制。”

技术

硅是大自然产生的一种非常富足的材料，通常作为电子器件中的半导体使用。然而，研究人员们已经耗尽了仅由硅制成的半导体器件的潜能。这些设备受制于硅的载流子迁移率（电荷通过材料的速度）以及间接带隙（限制了释放和吸收光线的能力）。

现在，Gu 的团队将硅与一种具有更多有益特性的材料（二维材料石墨烯）相结合。二维材料以只有一层原子而得名。与硅相比，石墨烯具有更好的载流子迁移率以及直接带隙，使得电子传输得更快，并且电气和光学特性更好。通过将硅与石墨烯相结合，科学家们将可以继续利用已经在硅器件中使用的技术，硅与石墨烯的结合使运行速度变得更快。博士生 Thomas Kananen 表示：“通过研究材料的特性，我们能否比现在做更多的事情？这就是我们想要搞清楚的。”

为了将硅与石墨烯相结合，团队采用了一种他们正在开发的方法。一篇发表在《npj 2D Materials and Application》期刊上的论文描述了这种方法。团队将石墨烯放置到一个特殊的地方，即所谓的“p-i-n结”。它是材料之间的一种接口。通过将石墨烯放置在“p-i-n 结”上，团队以一种可以提升响应率和器件速度的方法优化了这个结构。

这个方法很健壮，而且便于其他研究人员采用。这一工艺产生在12英寸的超薄材料晶圆上，并利用了小于一毫米的元件。某些元件是在商业制造厂生产。其他的工作在特拉华大学的纳米制造设施进行，材料科学与工程系副教授 Matt Doty 是该设施的主任。

Doty 表示：“特拉华大学纳米制造设施（UNDF）是一个员工支持的工厂，它使用户可在7纳米的长度级别制造设备，约为人类发丝直径的万分之一。UNDF成立于2016年，为从光电子学到生物医学再到植物科学的一系列领域带来了新的研究方向。”

价值

硅与石墨烯结合之后，可作为光电探测器使用，可以感知光线，并制造电流，并且比现有方案的带宽更大和响应时间更少。所有这些研究意味着未来将带来更便宜、更快速的无线设备。博士后研究员、发表在《npj 2D Materials and Application》期刊上的论文第一作者 Tiantian Li 表示：“它可以使得网络更强、更好、更便宜。这是光子学的关键点。”

现在，团队正在思考拓展这种材料的应用途径。Gu 表示：“我们正在寻找更多的基于类似结构的元件。”

关键字

参考资料

【1】

【2】Dun Mao, Thomas Kananen, Tiantian Li, Anishkumar Soman, Jeffrey Sinsky, Nicholas Petrone, James Hone, Po Dong, Tingyi Gu. Bandwidth Limitation of Directly Contacted Graphene–Silicon Optoelectronics. ACS Applied Electronic Materials, 2019; 1 (2): 172 DOI:

石墨烯有关的毕业论文

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石墨烯的论文文献

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石墨烯(Graphene)：是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。 石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收的光”;导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体*高，而电阻率只约10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。 石墨烯的用途： 纳电子器件方面 2005年，Geim研究组[3 J与Kim研究组H 发现，室温下石墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率(约10 am /V·s)，并且受温度和掺杂效应的影响很小，表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性(300 K下可达 m)，这是石墨烯作为纳电子器件最突出的优势，使电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管成为可能。较大的费米速度和低接触电阻则有助于进一步减小器件开关时间，超高频率的操作响应特性是石墨烯基电子器件的另一显著优势。此外，石墨烯减小到纳米尺度甚至单个苯环同样保持很好的稳定性和电学性能，使探索单电子器件成为可能。 利用石墨烯加入电池电极材料中可以大大提高充电效率，并且提高电池容量。自我装配的多层石墨烯片不仅是锂空气电池的理想设计，也可以应用于许多其他潜在的能源存储领域如超级电容器、电磁炮等。此外，新型石墨烯材料将不依赖于铂或其他贵金属，可有效降低成本和对环境的影响。 代替硅生产超级计算机 科学家发现，石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料。石墨烯的这种特性尤其适合于高频电路。高频电路是现代电子工业的领头羊，一些电子设备，例如手机，由于工程师们正在设法将越来越多的信息填充在信号中，它们被要求使用越来越高的频率，然而手机的工作频率越高，热量也越高，于是，高频的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出现，高频提升的发展前景似乎变得无限广阔了。 这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。 光子传感器 石墨烯还可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场上，这种传感器是用于检测光纤中携带的信息的，现在，这个角色还在由硅担当，但硅的时代似乎就要结束。去年10月，IBM的一个研究小组首次披露了他们研制的石墨烯光电探测器，接下来人们要期待的就是基于石墨烯的太阳能电池和液晶显示屏了。因为石墨烯是透明的，用它制造的电板比其他材料具有更优良的透光性。 基因电子测序 由于导电的石墨烯的厚度小于DNA链中相邻碱基之间的距离以及DNA四种碱基之间存在电子指纹，因此，石墨烯有望实现直接的，快速的，低成本的基因电子测序技术。 减少噪音 美国IBM 宣布，通过重叠2层相当于石墨单原子层的“石墨烯(Graphene)”，试制成功了新型晶体管，同时发现可大幅降低纳米元件特有的1/f。石墨烯，试制成功了相同的晶体管，不过与预计的相反，发现能够大幅控制噪音。通过在二层石墨烯之间生成的强电子结合，从而控制噪音。噪声。 隧穿势垒材料 量子隧穿效应是一种衰减波耦合效应，其量子行为遵守薛定谔波动方程，应用于电子冷发射、量子计算、半导体物理学、超导体物理学等领域。传统势垒材料采用氧化铝、氧化镁等材料，由于其厚度不均、容易出现孔隙和电荷陷阱，通常具有较高的能耗和发热量，影响到了器件的性能和稳定性，甚至引起灾难性失败。基于石墨烯在导电、导热和结构方面的优势，美国海军研究试验室(NRL)将其作为量子隧穿势垒材料的首选。未来得石墨烯势垒将有可能在隧穿晶体管、非挥发性磁性记忆体和可编程逻辑电路中率先得以应用。 其它应用 石墨烯还可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域，同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破。中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长,而人类细胞却不会受损。利用这一点石墨烯可以用来做绷带,食品包装甚至抗菌T恤;用石墨烯做的光电化学电池可以取代基于金属的有机发光二极管,因石墨烯还可以取代灯具的传统金属石墨电极,使之更易于回收。这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，甚至能让科学家梦寐以求的万英里长太空电梯成为现实。 参考文献：石墨烯 -

它是一种二维晶体，其特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，超过电子在一般导体中的运动速度。将石墨剥离，形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。

通常我们将具有原子厚度的二维碳材料，称为石墨烯,石墨烯(Graphene)，这是一种二维晶体，厚度只有一个原子的直径，但是它比钻石还硬，传输电流的速度比电脑芯片里的硅元素快100倍。

硅和石墨烯复合毕业论文

导读

背景

光子学（photonics）是研究作为信息和能量载体的光子的行为及其应用的学科。光子学及其发展的相关技术即光子技术，具有丰富的内涵和广阔的应用前景。如果你使用智能手机、笔记本电脑、平板电脑，那么就有望从光子学的研究中获益。

创新

近日，美国特拉华大学电气与计算机工程系助理教授 Tingyi Gu 领导的一支团队正在开发光子器件方面的前沿技术，该技术可以使得器件之间以及使用者之间的通信速度更快。

最近，该研究小组设计出一种“硅-石墨烯”器件，它能以亚太赫兹的带宽，在一皮秒之内发射无线电波。这样不仅可携带更多信息，而且速度也更快。他们的研究近期发表在《美国化学会应用电子材料（ACS Applied Electronic Materials）》期刊上。

论文第一作者、研究生 Dun Mao 表示：“在这项研究中，我们仔细研究了用于未来光电子应用的集成石墨烯的硅光子器件的带宽限制。”

技术

硅是大自然产生的一种非常富足的材料，通常作为电子器件中的半导体使用。然而，研究人员们已经耗尽了仅由硅制成的半导体器件的潜能。这些设备受制于硅的载流子迁移率（电荷通过材料的速度）以及间接带隙（限制了释放和吸收光线的能力）。

现在，Gu 的团队将硅与一种具有更多有益特性的材料（二维材料石墨烯）相结合。二维材料以只有一层原子而得名。与硅相比，石墨烯具有更好的载流子迁移率以及直接带隙，使得电子传输得更快，并且电气和光学特性更好。通过将硅与石墨烯相结合，科学家们将可以继续利用已经在硅器件中使用的技术，硅与石墨烯的结合使运行速度变得更快。博士生 Thomas Kananen 表示：“通过研究材料的特性，我们能否比现在做更多的事情？这就是我们想要搞清楚的。”

为了将硅与石墨烯相结合，团队采用了一种他们正在开发的方法。一篇发表在《npj 2D Materials and Application》期刊上的论文描述了这种方法。团队将石墨烯放置到一个特殊的地方，即所谓的“p-i-n结”。它是材料之间的一种接口。通过将石墨烯放置在“p-i-n 结”上，团队以一种可以提升响应率和器件速度的方法优化了这个结构。

这个方法很健壮，而且便于其他研究人员采用。这一工艺产生在12英寸的超薄材料晶圆上，并利用了小于一毫米的元件。某些元件是在商业制造厂生产。其他的工作在特拉华大学的纳米制造设施进行，材料科学与工程系副教授 Matt Doty 是该设施的主任。

Doty 表示：“特拉华大学纳米制造设施（UNDF）是一个员工支持的工厂，它使用户可在7纳米的长度级别制造设备，约为人类发丝直径的万分之一。UNDF成立于2016年，为从光电子学到生物医学再到植物科学的一系列领域带来了新的研究方向。”

价值

硅与石墨烯结合之后，可作为光电探测器使用，可以感知光线，并制造电流，并且比现有方案的带宽更大和响应时间更少。所有这些研究意味着未来将带来更便宜、更快速的无线设备。博士后研究员、发表在《npj 2D Materials and Application》期刊上的论文第一作者 Tiantian Li 表示：“它可以使得网络更强、更好、更便宜。这是光子学的关键点。”

现在，团队正在思考拓展这种材料的应用途径。Gu 表示：“我们正在寻找更多的基于类似结构的元件。”

关键字

参考资料

【1】

【2】Dun Mao, Thomas Kananen, Tiantian Li, Anishkumar Soman, Jeffrey Sinsky, Nicholas Petrone, James Hone, Po Dong, Tingyi Gu. Bandwidth Limitation of Directly Contacted Graphene–Silicon Optoelectronics. ACS Applied Electronic Materials, 2019; 1 (2): 172 DOI:

制备的石墨烯存在一定的缺陷,例如,五元环、七元环等拓扑缺陷或存在-OH基团的结构缺陷,这些将导致

随着微纳电子器件热功率密度的迅速增长，控制其温度已成为电子信息产业发展和应用的迫切需求。热界面材料的选择是热控技术的关键问题之一，开发高性能石墨烯基复合热界面材料已成为科学和工业界研究热点。其存在的关键问题是从原子尺度深刻理解复合体系中声子输运机理，进而协同提升石墨烯有效热导 率和界面热导。本文从石墨烯自身声子耦合热阻和界面热阻两方面综述石墨烯复 合体系导热的研究进展，讨论了提升石墨烯基复合体系界面热导的两种机制，同时分析了渐变界面和非平衡声子对界面热输运的调控机理。最后，我们对复合体系导热性能研究的发展趋势进行总结和展望。 01 引言 随着新兴的 5G 通信、物联网、新能源 汽车 电子、可穿戴设备、智慧城市、 航空航天等 科技 的兴起，芯片等器件朝着小型化、高功率密度、多功能化等方向发展。高度集成化和先进封装技术有效地提高了芯片功率密度并缩小了散热空间， 致使热流分布不均匀和局部过热等散热问题成为制约高性能芯片开发的核心问题之一。据统计，电子器件的温度每升高 10 -15 ，芯片使用寿命将会降低 50%。由此可见，控制电子器件的温度已成为电子产业发展的迫切需求。 热界面材料广泛被用于集成电路封装和器件散热，通过填充电子芯片与散 热器接触表面的微空隙及表面凹凸不平的孔洞来减少散热热阻。制约散热的热阻（RTIM）由两部分组成（图 1）：热界面材料自身的热阻（Rc）和封装外壳与热界 面材料的界面热阻（Rint）。目前商用的热界面材料，其界面热阻 Rint（10-7~10-6 m2·KW-1），远小于自身的 Rc（10-6~10-5 m2·KW-1）。因此，热界面材料是电子器件热管理系统的重要组成部分，对提高散热效率和控制电子器件温度至关重要。 聚合物基复合材料具有良好的热机械性能，且质量轻、韧性好、低成本和易加工等特性。因此其全球市场份额占到热界面材料的 90%以上。聚合物基复合材料是聚合物基体和高导热填料组成的复合体系。二维纳米材料热导率远大于传统的填料，例如石墨烯热导率高达 2000~3000 Wm-1K-1（铜的 7~10 倍），且具有高比表面积和高机械强度等优异的性质，是极具应用前景的填料。因此，开发高性能石墨烯基复合体系的热界面材料已成为研究热点。 石墨烯基复合体系热界面材料的导热性能取决于石墨烯有效热导率和石墨烯/基体界面热导。石墨烯基复合体系中声子输运分为两个通道：（1）基体 石墨 烯的面外声子 石墨烯的面内声子-基体；（2）基体 石墨烯的面外声子 基体。分子模拟结果发现，第一种声子输运通道的热阻比第二种通道高 30 倍。 对比发现石墨烯“面内声子-面外声子”的非平衡声子输运对石墨烯有效热导率的发挥具有重要作用。从实验测量、理论分析及数值模拟方面均已证明了纳米尺度低维材料不同模式声子存在非平衡现象且对其热输运有重要影响。此外，石墨烯与基体之间的化学结构、机械性能、物理性质等诸多差异，使得石墨烯基复合体系中存在大量的界面结构，而界面是影响热输运的主要因素之一。这使得纳米尺度界面热输运成为石墨烯基复合体系热传导的核心问题。为了提高石墨烯基复合体系的热传导特性，本文将从石墨烯内非平衡声子和复合体系中界面非平衡声子两个方面讨论复合体系中石墨烯与基体的声子耦合热阻。02 石墨烯非平衡的内热阻 式中 J12 和 ΔT12 分别是模式 1 到 2 的热流和二者温差。通过建立声子间弱耦合解析 5 模型，可以定量描述和分析声子耦合强度的物理参数：耦合因子和耦合长度。耦合因子越小、耦合长度越长，对应着内热阻越大。 国内外一些课题组也在石墨烯非平衡的内热阻方面有突出的成果和贡献。美国德洲大学 Shi 等在研究拉曼法测量石墨烯热导率精度时也发现不同模式声子存在不同的温度，即它们之间处于非平衡态。普渡大学阮秀林等通过第一性原理模拟计算也表明，悬空石墨烯面内声子与面外声子的弱耦合作用促使不同模式声子处于非平衡态。 此后，美国普渡大学阮修林和清华大学曹炳阳等，通过模拟提取了石墨烯的不同模式声子温度，进一步从理论上研究不同模式声子非平衡态问题。上海交通大学鲍华与普渡大学阮修林等计算发现，当忽略石墨烯内非平衡声子输运，基于激光辐照测量得到的悬空石墨烯热导率将被低估 倍。此外研究者还发现在基于石墨烯的异质结中也存在非平衡声子输运 现象，例如：石墨烯/氮化硼、石墨烯/硅等异质结。因此，石墨烯内声子非平衡现象严重影响其有效热导率和实验表征的准确性。 03 复合体系界面热阻 提高石墨烯基热界面材料导热性能，除了上述内热组问题，还需考虑石墨烯/基体的界面热输运。石墨烯基复合体系热导提高不显著，主要源于在石墨烯和基体之间的界面影响声子输运，并产生较大界面热阻。大界面热阻的原因是多方面原因造成的。石墨烯和基体之间的作用力通常比较弱，远小于共价键。石墨烯和基体之间存在纳米尺度的空隙，空隙两段的原子之间几乎没有力的作用，空隙同时降低了两种材料的接触面积和作用力。即使完美接触的位置，由于两种材料本征热输运性质的差异和声子本征模式不匹配也会造成热阻。因此，提高复合体系界面热导研究可归纳为增强界面处原子间相互作用力和提升界面处两材料的 声子态密度匹配两个方面。

唯一有前途的负极材料是纳米硅石墨烯复合材料，微米硅碳材料衰减依然很快，而纳米硅容易团聚很难与微米碳充分混合，但常规的纳米硅和石墨烯都是每吨超过百万元，而且产量很低，所以市面上没有纳米硅石墨烯的产品出来唯一有前途的负极材料是纳米硅石墨烯复合材料，微米硅碳材料衰减依然很快，而纳米硅容易团聚很难与微米碳充分混合，但常规的纳米硅和石墨烯都是每吨超过百万元，而且产量很低，所以市面上没有纳米硅石墨烯的产品出来