低維系統(tǒng)中聲子弛豫過程與熱輸運(yùn)關(guān)系研究.pdf

1、隨著微電子加工技術(shù)的進(jìn)步，材料逐步走向納米尺度，從三維塊體材料到二維平面材料如石墨烯、石墨炔和黑磷等，再到一維材料碳納米管，以及零維納米晶材料量子點(diǎn)等。在研究這些材料的熱傳輸時(shí)，發(fā)現(xiàn)了與宏觀材料非常不一樣的輸運(yùn)性質(zhì)，如反常熱導(dǎo)效應(yīng)、彈道輸運(yùn)性質(zhì)以及熱整流效應(yīng)。這些現(xiàn)象產(chǎn)生的原因目前尚未明確，是眾多研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。同時(shí)這些特殊的性質(zhì)也具有極其豐富的應(yīng)用，如將高熱導(dǎo)率的材料運(yùn)用于微處理器中可以有效地解決其散熱問題，促使微處理器集成度進(jìn)一步

2、提升。而耐熱的低熱導(dǎo)率材料可以制成有效地隔熱材料，保護(hù)長(zhǎng)期工作于高溫高壓環(huán)境中的機(jī)器部件，延長(zhǎng)其使用壽命，或用于建筑材料，有效隔熱。熱電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了熱能與電能的相互轉(zhuǎn)化，有效地利用了能源，可以解決困擾全球的能源危機(jī)和環(huán)保問題。同時(shí)也可以運(yùn)用熱整流效應(yīng)生產(chǎn)熱流方向可控的熱器件，使量子計(jì)算機(jī)成為可能。
　　所以希望通過對(duì)低維系統(tǒng)中的聲子弛豫過程和熱輸運(yùn)關(guān)系研究，對(duì)低維材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)有進(jìn)一步的了解。分子動(dòng)力學(xué)方法是傳統(tǒng)的熱傳導(dǎo)研究方法，

3、而LAMMPS是成熟的分子動(dòng)力學(xué)模擬工具。
　　宏觀材料中，熱傳導(dǎo)遵循Fourier定律，但在低維系統(tǒng)中，熱導(dǎo)率與系統(tǒng)尺度有一定的關(guān)系，稱這樣的現(xiàn)象為反常熱輸運(yùn)。由經(jīng)驗(yàn)可知材料中主要為非對(duì)稱相互作用，所以研究非對(duì)稱相互作用對(duì)反常熱導(dǎo)的影響是我們的第一部分工作。選用經(jīng)典Fermi-Pasta-Ulam模型，通過調(diào)控系數(shù)來改變非對(duì)稱相互作用強(qiáng)度，在Nose-Hoover Chains熱庫作用下達(dá)到平衡，來求得聲子壽命隨非對(duì)稱相互作用強(qiáng)

4、度的變化關(guān)系。結(jié)果表明非對(duì)稱相互作用強(qiáng)度越強(qiáng)，聲子壽命越短，且聲子頻率向低頻方向偏移。
　　除了非對(duì)稱相互作用對(duì)熱導(dǎo)率的影響之外，發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的石墨炔的熱導(dǎo)率也存在差異。不同于石墨烯，石墨炔中鍵的種類更豐富，結(jié)構(gòu)更多變，所以猜測(cè)炔鍵會(huì)影響系統(tǒng)的熱導(dǎo)率。研究了五種不同結(jié)構(gòu)的石墨炔與石墨烯的熱導(dǎo)率，由結(jié)果可知隨著炔鍵比例的增長(zhǎng)，熱導(dǎo)率出現(xiàn)衰減，這意味著可以通過調(diào)控炔鍵的比例來實(shí)現(xiàn)對(duì)熱導(dǎo)率的調(diào)控，具有重要意義。為了解釋這種現(xiàn)象形成的原因