準一維雜化納米結構聲子輸運的分子動力學研究.pdf

1、近年來，隨著納米科學技術的快速發(fā)展，新型的納米材料和器件引起了人們的廣泛關注。碳納米管、石墨帶和硅納米線等準一維納米材料也成為了人們研究的熱點，由于其具有優(yōu)良的光學，電學及磁學性能，被研究人員認為是下一代納米器件的理想材料。然而當器件的尺寸進入到納米量級，電子電路將會高度集成化，散熱問題正在成為制約該領域發(fā)展的主要瓶頸之一。因此研究準一維納米結構中熱傳導的規(guī)律及底層機制，對于更好的控制熱量在器件中傳輸有著舉足輕重的意義。本文采用分子動力

2、學方法研究了準一維雜化納米結構的聲子輸運性能，得到了一些重要的結果。
　　首先，我們利用反轉(zhuǎn)非平衡分子動力學方法研究了不同種類的應變對graphene/h-BN雜化納米帶熱輸運性質(zhì)的影響。計算結果表明不同的應力對雜化納米帶熱導率的影響是不一樣的。當拉伸或者剪切應變加載時，隨著應變從0增加到0.2，體系在常溫下的熱導率被減少50％以上。而當壓縮或者彎曲應變加載時，體系的熱導率對應變的大小不太敏感。此外，我們還發(fā)現(xiàn)雜化納米帶的熱導率強

3、烈依賴于其尺寸大小和graphene組分比率，并且針對這些結果給出了簡要的理論解釋。這一研究結果有助于設計基于graphene/h-BN雜化納米帶高性能的熱控制器和熱電器件。
　　其次，運用非平衡分子動力學的方法，我們研究了熱量在graphene/h-BN雜化納米帶界面?zhèn)鬏斶^程。發(fā)現(xiàn)熱量能夠容易地從h-BN傳遞到graphene，反之卻非常困難，這顯示出該異質(zhì)結構具有明顯的熱整流效應，其原因為graphene和h-BN平面外的聲子

4、模在低頻區(qū)間發(fā)生強烈的共振。為了獲得最優(yōu)的熱整流效率，我們考慮了環(huán)境溫度，尺寸，溫差和界面密度對體系熱整流的影響。比較有趣的是，當溫差比較大時，扶手椅型界面的雜化納米帶中出現(xiàn)了負微分熱阻現(xiàn)象。聲子譜的分析揭示出橫向聲學波在界面?zhèn)鳠岬倪^程中扮演著重要的角色。該研究結果表明graphene/h-BN雜化納米帶可用于設計熱整流器和熱三極管。
　　接著，運用反轉(zhuǎn)非平衡分子動力學的方法，我們研究了graphene/h-BN超晶格熱輸運性質(zhì)。

5、結果表明:通過增加超晶格的周期長度，其熱導率先減少后增加，存在一個最小值，顯示出聲子輸運從相干性到非相干性的過渡。此外，我們還發(fā)現(xiàn)最小熱導率對應的周期長度在高溫條件下會減少，并且體系熱導率的降低幅度隨溫度的降低而增加。特別在200K下，一些特定周期長度的graphene/h-BN超晶格的熱導率幾乎等于其在300K下的熱導率。詳細的聲子譜分析揭示出熱導率這種異常的變化主要是源于強烈的聲子波動相干。這些結果為納米結構中聲子輸運性質(zhì)的調(diào)控提供

6、了一種全新的思路，在熱電轉(zhuǎn)換領域具有重要的潛在應用價值。
　　最后，通過譜能密度理論和平衡分子動力學方法，我們系統(tǒng)研究了石墨炔納米管的聲子輸運性質(zhì)。相比于同尺寸的碳納米管，石墨炔納米管具有超低的熱導率。在室溫下，鋸齒型石墨炔管的熱導率為76W/mK，比碳納米管的熱導率低一個數(shù)量級，顯示其在熱電轉(zhuǎn)換領域的潛在應用價值。通過聲子振動模式的分析，發(fā)現(xiàn)石墨炔管中sp碳原子和sp2碳原子在低頻區(qū)域發(fā)生了局域共振。這種共振將導致該頻率區(qū)間內(nèi)的