沿着摩尔定律的预测,微电子元件的尺寸不断缩小并已达到纳米量级。更小尺寸的电路器件在运行时将产生更多的热量,而散热将严重制约芯片的计算性能,给电子工业的进一步发展带来了巨大的挑战。石墨烯是一种六边形蜂窝状结构的二维纳米材料,其导热率远高于现有常用的导热材料。由于其极其优良的热学性能,石墨烯被广泛视为下一代高性能处理器的理想材料,有望解决微电路工作产热问题,突破计算能力发展的瓶颈。为了适应不同的工作环境和应用场景,需要实现石墨烯导热性能的有效调控,从而满足各领域复杂的功能需求,并进一步扩宽其应用领域。此外,改性手段也有望对石墨烯中的热传导行为施加逻辑调控,从而构建起热流非对称传导的热整流效应。热流的逻辑控制将在跨尺度的热管理、能量交换、信息传递等领域具有重要的应用潜力。因此,研究石墨烯导热性能的改性及调控具有重要的实际意义,也为石墨烯智能器件的相关开发提供了新的思路和指导。本课题关注了表面氢化改性和面内异质杂化对石墨烯导热性能的影响。首先对表面氢化石墨烯中氢化界面的热学性能展开了详细的讨论与分析,通过非平衡态分子动力学模拟计算分析了氢化界面在石墨烯整体导热率中扮演的重要角色,研究揭示了氢化界面热导随石墨烯长度、手性取向和环境温度等因素的变化规律。进一步结合凝聚态物理和晶格振动理论,计算界面两侧原子声子态密度的重合度,从物理层面详细阐释了界面导热性能的演化机制。同时研究还发现热流关于氢化界面出现热整流效应,即由氢化区域向非氢化区域的导热性能要优于其反方向。这种非对称的热流传导现象具有明显的尺寸效应,当长度超过临界值时,热整流效应迅速衰落至消失。为了改善尺寸效应的限制,研究提出了一种表面梯度功能化改性的设计思想,并验证其使得石墨烯能够在较大尺度上仍保持一定的热整流效应,从而为热整流效应在跨尺度领域内的应用提供了可能性。同时,研究还关注了面内异质杂化对石墨烯导热性能的影响,发现了石墨烯-氮化硼平面异质结构中杂化晶界的界面热导随晶界偏转角度的变化规律,同时还揭示了杂化晶界对面内热流传导的逻辑调控规律及背后的作用机理。由于现有工业制备方法所得的石墨烯中均不可避免地产生晶界缺陷,本课题研究关注了晶界在多晶石墨烯导热性能的表面改性调控中起到的关键作用,综合讨论面内应变与表面改性对多晶石墨烯导热性能的调控行为,继而揭示两者因素的耦合作用。研究发现多晶石墨烯的导热率随拉应变的增大而降低,且晶粒尺寸决定了导热率关于应变的变化敏感程度。凝聚态物理和晶格振动理论的综合分析结果表明,拉应变下石墨烯内产生的应力将显著降低声子平均自由行程,从而揭示了导热率变化的内在作用机制。晶粒尺寸较小的多晶石墨烯内将在晶界区域产生更多的应力集中,因此造成了导热率更为明显的下降。导热率随压应变的变化具有显著的尺寸效应,仅当尺寸较小时,压应变才使多晶石墨烯的导热率发生较为明显的降低。对于导热率的表面改性调控,多晶石墨烯随着氢化率的升高出现了明显不同的两个变化阶段,在晶界饱和氢化前后,导热率具有截然不同的变化趋势。通过对不同集中程度的氢化模式的分析,研究对两个阶段的形成机制进行了定性的解释。进而,研究综合讨论了表面改性与面内应变的耦合调控作用,结果发现,较高氢化率下多晶石墨烯的导热率将不随应变发生明显变化。同时研究发现,由于面内-面外声子传导的耦合效应,相比于单晶多层石墨烯,实际中多晶多层石墨烯的面内导热率对面外的层间堆叠更加不敏感。另外,实际制备的石墨烯常以多层堆叠的形式存在。本课题进而研究了多层石墨烯的导热性能,主要关注其沿面外方向的热整流效应。研究构建了层间梯度氢化的多层石墨烯膜状结构,计算结果表明该结构具有不随尺寸退化的面外热整流效应。因此该结构能够在宏微观领域对界面处的热流实施逻辑控制和管理。通过对每一层石墨烯声子态密度谱的对比,研究发现声子振动覆盖频域的差异是造成热整流效应的关键因素。研究还建立了多层石墨烯结构面外热整流效应的理论分析模型,并详细分析了应变和温度对热整流效应的调控机理。此外,研究还针对宏观多层石墨烯薄膜的组装调控,利用电流的焦耳热效应实现了不同层之间的无焊料焊接的实验研究,结合原位加载和分子动力学模拟表征焊接界面的力学性能,焦耳热焊接能够极大地增强接触界面和层间界面的综合性能。同时研究还发现,焊接处理能够有效改善上述多层石墨烯结构在压应变下的热整流效应,因此为多层石墨烯导热性能提供了一种简单、高效且环保的调控手段。本课题由理想原子模型出发,逐级考虑晶界缺和陷层间堆叠等制备因素,并结合复杂应变等应用场景,对石墨烯导热性能的改性调控进行了全方位的研究讨论,为其在跨尺度领域的实际应用提供了详细的理论指导。本课题还结合多种理论手段揭示了导热性能调控现象背后的作用机理,有助于从根本上掌握改性调控的规律,进而为寻求更先进的调控手段打下基础。相应概念构型的设计与实验手段的开发也进一步推动了石墨烯器件的设计、组装及应用。