石墨烯热学性能非简谐效应的研究进展

程正富¹，周明军²，杨邦朝³，郑瑞伦¹

1. 重庆文理学院电子电气工程学院2. 中国电子科技集团公司第四十九研究所3. 电子科技大学电子科学与技术学院

摘 要：石墨烯性能优异,应用前景广阔,是当今国际科技研究前沿之一。目前已有不少文献对石墨烯进行了研究,但对其热力学性质的研究还不深入和系统,尤其是对其非简谐特征的研究很少。深入和系统地研究石墨烯热力学性能的非简谐效应,确定它的热膨胀和热容量以及热导率随温度的变化规律,是目前的首要任务。石墨烯的热膨胀、蓄热和导热性是非简谐效应最明显的性能,在超薄型高蓄热材料及可调节热管理系统等中有广泛应用。如何从实验和理论方面来确定这些性能随温度的变化规律,目前尚未得到解决。从理论上确定石墨烯热膨胀系数、热容量以及热导率随温度的变化规律并探讨出其非简谐效应,是当今研究的焦点。本文提出了研究固体材料性质变化规律的非简谐效应理论方法,即通过严密的数学推导和数理论证来确定材料性质随温度的变化规律。为了确定石墨烯热膨胀系数、热容量以及热导率随温度的变化规律,需建立合理的物理模型,确定石墨烯的特性函数自由能。本文在石墨烯热膨胀、热容量和热导率的研究基础上,用固体物理理论,得到石墨烯低温热膨胀系数和热容量以及热导率随温度变化规律的解析式,计算并分析这些热力学量随温度变化的特点,探讨了原子非简谐振动对它们的影响,并与实验和其他文献的研究结果相比较。结果表明:石墨烯有低温负热膨胀现象,具有超高热传导性和大热容量蓄热、传热性能;温度愈高,非简谐效应愈突出;通过建立合理的物理模型并确定材料的特性函数自由能,可以较简便地探讨材料热力学性质随温度的变化规律和非简谐效应,其结果接近于实验结果。本文综述了非简谐效应理论在研究石墨烯热膨胀和热容量以及热传导性能上的研究现状和笔者近期的研究成果,并对石墨烯后期的发展方向作出预测。在简述非简谐效应理论研究方法的基础上,论述了石墨烯的物理模型和自由能,并应用非简谐效应理论研究方法,对石墨烯低温负热膨胀、热容量和热导率随温度的变化规律进行了深入研究。最后对石墨烯热学性能非简谐效应的研究进行了展望,指出了五个待改进之处,为石墨烯材料的理论研究和应用提供有益的参考。

关键词：非简谐效应;石墨烯;低温热膨胀;热容量;热传导;