Меню
Публикации
2026
2025
2024
2023
2022
2021
2020
2019
2018
2017
2016
2015
2014
2013
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
Главный редактор
НИКИФОРОВ
Владимир Олегович
д.т.н., профессор
Партнеры
doi: 10.17586/2226-1494-2026-26-2-266-274
УДК 536.2
Теплопроводность многослойных наносвитков из гексагонального нитрида бора
Читать статью полностью
Язык статьи - русский
Ссылка для цитирования:
Аннотация
Ссылка для цитирования:
Савватеева М.В., Пилипенко Н.В., Баранов И.В., Аливердиев А.А., Колодийчук П.А. Теплопроводность многослойных наносвитков из гексагонального нитрида бора // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2026. Т. 26, № 2. С. 266–274. doi: 10.17586/2226-1494-2026-26-2-266-274
Аннотация
Введение. Традиционные теплопроводящие композитные материалы, обладающие высокой теплопроводностью, склонны к агломерации в матрице, их химическая инертность затрудняет прочную связь с полимером, а высокая электропроводность существенно ограничивает применение в электронике. В работе представлен теоретический анализ анизотропной теплопроводности многослойных наносвитков из гексагонального нитрида бора (h-BN) как перспективных наполнителей для тепловых интерфейсов электронных изделий. Материал сочетает высокую теплопроводность, хорошие электроизоляционные свойства и высокую технологичность при интеграции в электронные компоненты. Предложена аналитическая модель, позволяющая прогнозировать значения теплопроводности многослойных наносвитков из h-BN в продольном и поперечном направлениях. Метод. Аналитическая модель анизотропной теплопроводности многослойных наносвитков (свернутых 2D-нанопластин) реализована на основе теории обобщенной проводимости. Ключевыми научными дополнениями к существующим моделям являются возможность увеличения количества рассчитываемых слоев и размеров наносвитков. Для более точного описания размерных эффектов впервые на подобной многослойной структуре введен параметр межслойного рассеяния для коррекции эффективной длины свободного пробега фононов в материале. Основные результаты. Получены математические зависимости теплопроводности многослойных наносвитков из h-BN в продольном и поперечном направлениях относительно оси наносвитка в зависимости от количества слоев. Показано, что с увеличением числа слоев продольная теплопроводность (вдоль оси наносвитка) уменьшается. Поперечная теплопроводность (поперек оси наносвитка) существенно выше, чем у углеродных аналогов. Обсуждение. Ввиду отсутствия в открытых научных работах количественных данных (как экспериментальных, так и полученных численным методом) для многослойных наносвитков из h-BN валидация результатов моделирования выполнена на схожей системе, представленной в работе, посвященной трехслойному углеродному наносвитку. Полученные прогнозные результаты позволяют оценить влияние количества слоев на теплопроводность наносвитков из h-BN и синтезировать структуры многослойных наносвитков с заранее заданным значением теплопроводности. Показано, что многослойные наносвитки из h-BN являются перспективной альтернативой углеродным нанотрубкам в электронике в случаях, когда критически важно исключить «тепловые пробки», а также обеспечить высокую межэлементную электроизоляцию.
Ключевые слова: многослойные наносвитки, нитрид бора, углерод, графен, теплопроводность, анизотропия, наноматериалы, наноструктуры, подложки, микроэлектроника
Список литературы
Список литературы
1. Aigbodion V.S., Alayyaf A.A., Ozoude C.J.Understanding the anti-corrosion characteristics of surface modification of h-BN and carbon nanotubes/magnesium composites in simulated seawater // RSC Advances. 2024. V. 14. N 33. P. 24152–24164. https://doi.org/10.1039/d4ra04076g
2. Syduzzaman M., Islam Saad M.S., Piam M.F.,Talukdar T.A., Shobdo T.T., Pritha N.M. Carbon nanotubes: Structure, properties and applications in the aerospace industry // Results in Materials. 2024. V. 25. P. 100654. https://doi.org/10.1016/j.rinma.2024.100654
3. Chen H., Chen S. The fracture behaviors of carbon nanotube and nanoscroll reinforced silicon matrix composites // Carbon. 2014. V. 67. P. 344–351. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2013.10.004
4. Watanabe K., Taniguchi T., Kanda H. Direct-bandgap properties and evidence for ultraviolet lasing of hexagonal boron nitride single crystal // Nature Materials. 2004. V. 3. P. 404–409. https://doi.org/10.1038/nmat1134
5. Dean C.R., Young A.F., Meric I., Lee C., Wang L., Sorgenfrei S.,et al. Boron nitride substrates for high-quality graphene electronics // Nature Nanotechnology. 2010. V. 5. N 10. P. 722–726. https://doi.org/10.1038/nnano.2010.172
6. Dean C.R., Young A.F., Cadden-Zimansky P., Wang L., Ren H., Watanabe K.,et al. Multicomponent fractional quantum Hall effect in graphene // Nature Physics. 2011. V. 7. P. 693–696. https://doi.org/10.1038/nphys2007
7. Cui X., Lee G.H., Kim Y.D., Arefe G., Huang P.Y., Lee C.-H., et al. Multi-terminal transport measurements of MoS2 using a Van der Waals heterostructure device platform // Nature Nanotechnology. 2015. V. 10.N 6. P. 534–540. https://doi.org/10.1038/nnano.2015.70
8. Chan M.Y., Komatsu K., LiS.-L., Xu Y., Darmawan P., Kuramochi H.,et al. Suppression of thermally activated carrier transport in atomically thin MoS2 on crystalline hexagonal boron nitride substrates // Nanoscale. 2013. V. 5.N 20. P. 9572–9576. https://doi.org/10.1039/c3nr03220e
9. Lee G.H., Yu Y.-J., Cui X., Petrone N., Lee C.-H., Choi M.S.,et al. Flexible and transparent MoS2 field-effect transistors on hexagonal boron nitride-graphene heterostructures // ACS Nano. 2013. V. 7. N 9. P. 7931–7936. https://doi.org/10.1021/nn402954e
10. Liu Y., Ong Z.-Y., Wu J., Zhao Y., Watanabe K., Taniguchi T., et al. Thermal conductance of the 2D MoS2/h-BN and graphene/h-BN interfaces // Scientific Reports. 2017. V. 7. P. 43886. https://doi.org/10.1038/srep43886
11. Kaneda M., Zhang W., Liu Z., Gao Y., Maruyama M., Nakanishi Y.,et al. Nanoscrolls of Janus monolayer transition metal dichalcogenides // ACS Nano. 2024. V. 18. N 4. P. 2772–2781. https://doi.org/10.1021/acsnano.3c05681
12. Wang Y., Zhang Y. Superior thermal conductivity of carbon nanoscroll based thermal interface materials // Proc. of the IEEE 65th Electronic Components and Technology Conference (ECTC). 2015. P. 1234–1239. https://doi.org/10.1109/ectc.2015.7159754
13. Pietrak K., Wisniewski T.S. A review of models for effective thermal conductivity of composite materials // Journal of Power Technologies. 2015. V. 95. N 1. P. 14–24.
14. Эдвабник В.Г. Теория обобщённой проводимости. Новосибирск: Наука, 2019. 212 с.
15. Дульнев Г.Н., Новиков В.В. Процессы переноса в неоднородных средах. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1991. 247 с.
16. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Справочнаякнига. Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1974. 264 c.
17. Крайнов А.Ю. Основы теплопередачи. Теплопередача через слой вещества. Учеб. пособие. Томск: STT, 2016. 48 с.
18. Сулаберидзе В.Ш., Скорнякова Е.А. Оценка параметров расчетных моделей теплопроводности композиционных материалов с полимерным связующим по экспериментальным данным // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2020. Т. 18. № 4. С. 57–64. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2020-18-4-57-64
19. Заричняк Ю.П., Аливердиев А.А., Алексеев Е.В., Савватеева М.В., Ходунков В.П. Экстремальная анизотропия теплопроводности одностенных углеродных нанотрубок со структурой свитка-рулона // Ученые записки физического факультета Московского университета. 2024.№ 3. С. 2430701.
20. Fujii M., Zhang X., Xie H.Q., Ago H., Takahashi K., Ikuta T., et al. Measuring the thermal conductivity of a single carbon nanotube // Physical Review Letters. 2005.V. 95. N 6. P. 065502. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.065502
21. Yu С., Shi L., Yao Z., Li D., Majumdar A. Thermal conductance and thermopower of an individual single-wall carbon nanotube // Nano Letters. 2005. V. 5. N 9. P. 1842–1846. https://doi.org/10.1021/nl051044e
22. Шевченко О.Ю. Основы физики твердого тела. СПб: НИУИТМО, 2010. 76 с.
23. Zhang Y.Y., Pei Q.X., Wang C.M. A molecular dynamics investigation on thermal conductivity of graphynes // Computational Materials Science. 2012. V. 65. P. 406–410. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2012.07.044
24. Balandin A.A., Ghosh S., Bao W., Calizo I., Teweldebrhan D., Miao F., Lau C. Superior thermalconductivity of single-layer graphene // Nano Letters. 2008. V. 8.N 3. P. 902–907. https://doi.org/10.1021/nl0731872
25. Ghosh S., Calizo I., Teweldebrhan D., Pokatilov E.P., Nika D.L., Balandin A.A., et al. Extremely high thermal conductivity of graphene: Prospects for thermal management applications in nanoelectronic circuits // Applied Physics Letters. 2008. V. 92. N 15. P. 151911. https://doi.org/10.1063/1.2907977
26. Bhattacharjee A., Jiang H., Li L., Huang S., Chen Y.I., Cai Q. Thermal transport property of boron nitride nanosheets // Applied Physics Reviews. 2024. V. 11.N 4. P. 041322. https://doi.org/10.1063/5.0213741
27. Антонова И.В. Вертикальные гетероструктуры на основе графена и других монослойных материалов // Физика и техника полупроводников. 2016.T. 50. № 1.С. 67–82.
28. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. 720 с.
29. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977. 344 с.
30. Елецкий А.В. Транспортные свойства углеродных нанотрубок // Успехи физических наук. 2009. Т. 179.№ 3. C. 225–242.
