类石墨烯二硫化钼范德华界面热量输运微观机制的研究

Due to the excellent photoelectric properties, graphene like MoS2 show great potential to replace silicon on molecular scale. However, the interfacial thermal resistance between MoS2 and the base greatly limits playing their performance in the applications. In this project, we’ll build graphene like MoS2 interface structures and optimize them by first-principles for the purpose of studying how interaction and bonding of the interface atoms. The electronic structures and force constants are obtained based on first-principles density functional theory calculations. Phonon and electronic transport through Van der Waals interface are studied by Green function method and thermal conductances of the interface are calculated by accepted formulas. We’ll discuss how phonon and electronic coupling at the graphene like MoS2 interface and analyze the relationship between these coupling effects and the heat conductance. It will reveal how the bond,defects, doping, layers, symmetry, and external field factors affect the heat transport of the graphene like MoS2 Van der Waals interface.These studies were designed to clarify the microscopic mechanism of the graphene like MoS2 Van der Waals interface heat transport. They will provide necessary scientific basis in giving full play to the superior performance of graphene like MoS2 and two-dimensional transition metal dichalcogenides in the micro-nano electronics applications for thermal design and thermal management.

类石墨烯MoS2优异的光电性质使其成为最有望在分子水平上取代硅的新型半导体材料。但界面热效应大大影响了其在光电领域的应用。本项目拟采用第一性原理构建并优化类石墨烯MoS2范德华界面结构，对其原子相互作用及相关化学键特征进行分析；基于第一性原理密度泛函理论计算类石墨烯MoS2范德华界面电子结构及原子力常数；利用格林函数方法模拟界面的电子、声子输运及声电耦合情况；计算声子及电子输运引起的界面热传导，探讨声电耦合输运对类石墨烯MoS2范德华界面导热的影响；研究界面原子的成键情况、缺陷、参杂、层数、对称性、及外场等因素对类石墨烯MoS2范德华界热量输运的影响。本项目的深入研究有利于厘清类石墨烯MoS2范德华界面热量输运微观机制，为类石墨烯MoS2及相关二维过渡金属硫族化合物在微纳尺度光电领域应用中的热学设计提供新的技术途径和必要的应用基础性科学依据。

类石墨烯MoS2优异的光电性质使其成为最有望在分子尺度上取代硅的新型半导体材料。但界面热效应大大影响了其在光电领域的应用。本项目对类石墨烯MoS2范德华界面相关热性能的研究进行更加深入的文献调研，后细化了研究方案，顺序开展研究工作并取得如下成果。首先，构建并优化MoS2及类石墨烯MoS2范德华界面，优化其电子结构，根据半导体导电的基本理念进行假设，构建出满带电子向空带跃迁从而形成导带之后，导带的分子内空间分布情况进行的热输运性质分析。其次，对比相关分子动力学计算程序计算结果，优选出适合项目体系的程序及理论方法。分析文献中相关体系力常数，选取适合本项目的力常数。对于本项目涉及的体系中，现有文献没有报导的力常数的计算均采用第一性原理方法计算得到，即在类石墨烯MoS2与金属Cu等界面相互作用及键合情况的基础上，采用DFPT构造出力常数矩阵。计算并讨论声子在类石墨烯MoS2范德华界面输运的特点。第三，计算类石墨烯MoS2范德华界面电子输运性质，由相应公式计算出类石墨烯MoS2范德华界面声子及电子输运对的界面热导的影响。采用格林函数方法分析界面声子散射、热电子发射及电子散射对声子的影响等，计算声电耦合系数，并讨论电声子耦合对类石墨烯MoS2范德华界面热量输运的影响。第四，对比分析类石墨烯MoS2范德华界面原子键合、相互作用、结构缺陷、温度、外场等形态因素等对类石墨烯MoS2范德华界面热传导的影响。第五，采用项目研究方案拓展研究相关种类材料的声子输运、电子属于等性质。构建锂电池电极材料界面结构并进行优化计算其相关性质，研究类石墨烯给够相关材料的取代及掺杂性质等。探索过渡金属二维材料界面热传导的理论方法。项目取得量化成果为，发表论文30篇，其中SCIE17篇，主编教材1本，授权专利5项，其中2项发明专利。在国内外学术会议上做邀请/分会报告16人次，组织国内学术会议2个，培养10名研究生，引进3名青年教师，拓展1个产学研基地。