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      清华大学工程力学系、清华大学微纳米力学中心徐志平研究组近期的研究《分子结器件的临界热功率》（The critical power to maintain thermally stable molecular junctions）揭示了分子结器件中的热耗散机制，并指出了维持其热稳定性的条件，这一工作于2014年7月9日发表于《自然－通讯》（Nature Communications）期刊，为分子电子器件、热探针技术等应用设计提供了参考。该论文第一作者为清华大学微纳米力学中心研究生王艳磊，通讯作者为徐志平副研究员。

图为基于原子模拟的研究揭示了分子器件中的热耗散机制与热稳定性条件

 

      随着工业界对电子器件性能需求的提升，其元器件的尺寸不断减小。分子、纳米电子器件由此催生并发展。分子结构作为电子、能量转换等应用中的关键器件，在工作时产生热量。该热效应与分子向接触电极中热耗散之间的平衡决定了器件自身的温度。随着尺度的减小、功率的提高，器件中的热产变得显著。实验数据表明温升可高达数百开尔文，从而对器件的稳定性造成一定影响，例如引起分子结构强烈的热致振动，或者使得分子与电极发生脱离等。因此，理解分子器件中的热耗散过程，提出热稳定设计准则和性能优化方案成为分子器件应用化的关键步骤。然而，人们目前对于分子器件中的热耗散和热传递过程理解仍颇为有限。

 

基于原子模拟的研究揭示了分子器件中的热耗散机制与热稳定性条件。图中所示为金刚石（黄色）/苯分子（灰色）/金刚石分子结结构

 

      在发表于《自然－通讯》的工作中，研究组研究了分子结器件中的热耗散与输运过程。他们采用原子模拟研究了金刚石/苯分子/金刚石结构中的热耗散过程，发现维持该器件稳定运行(温度上升小于50 开尔文)的临界功率在1微瓦左右，且此值可通过增加分子结中的苯分子数进行提高。他们的研究进一步指出了分子与热电极之间热学接触对热耗散效率的影响，发现其接触热阻在10⁹开尔文每瓦量级，且受界面处的分子结构、受力、环境温度等因素影响。这一研究发现为分子、纳米电子器件的热稳定性设计提供了参考与准则。
      此外，这项研究还指出了基于扫描探针的热测量技术在实用中的一些局限性。其中分子结构、受力状态、产热功率、接触界面热阻的影响须进行标定后才能有效地进行材料局部热学性质的测定。
      纳米尺度界面的电、热输运特性对纳米电子器件、纳米复合材料的应用有重要意义。在之前的研究中，徐志平研究组曾研究了石墨烯、碳纳米管等纳米材料与基底、接触材料之间电、热学性能的工程调控。他们发现通过气体分子的掺杂可以在保证该界面热耗散效率的同时实现电学绝缘，为上述应用提供了新的设计思路。
      徐志平博士于2010年入职于清华大学工程力学系、微纳米力学与多学科交叉创新研究中心，任副研究员，研究兴趣为微纳米尺度下的能量传递、转换过程，材料细观结构与宏观性能关联等物理力学问题，以及这些基础研究在环境、能源等领域的应用。
      这些研究工作受到国家自然科学基金委员会、清华大学自主科研项目的资助。研究中的计算模拟工作在清华大学高性能计算中心探索100平台上完成。
      文章链接： http://www.nature.com/ncomms/2014/140709/ncomms5297/full/ncomms5297.html