準(zhǔn)一維雜化納米結(jié)構(gòu)聲子輸運(yùn)的分子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著納米科學(xué)技術(shù)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(guān)注。碳納米管、石墨帶和硅納米線(xiàn)等準(zhǔn)一維納米材料也成為了人們研究的熱點(diǎn)，由于其具有優(yōu)良的光學(xué)，電學(xué)及磁學(xué)性能，被研究人員認(rèn)為是下一代納米器件的理想材料。然而當(dāng)器件的尺寸進(jìn)入到納米量級(jí)，電子電路將會(huì)高度集成化，散熱問(wèn)題正在成為制約該領(lǐng)域發(fā)展的主要瓶頸之一。因此研究準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)中熱傳導(dǎo)的規(guī)律及底層機(jī)制，對(duì)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(dòng)力

2、學(xué)方法研究了準(zhǔn)一維雜化納米結(jié)構(gòu)的聲子輸運(yùn)性能，得到了一些重要的結(jié)果。
　　首先，我們利用反轉(zhuǎn)非平衡分子動(dòng)力學(xué)方法研究了不同種類(lèi)的應(yīng)變對(duì)graphene/h-BN雜化納米帶熱輸運(yùn)性質(zhì)的影響。計(jì)算結(jié)果表明不同的應(yīng)力對(duì)雜化納米帶熱導(dǎo)率的影響是不一樣的。當(dāng)拉伸或者剪切應(yīng)變加載時(shí)，隨著應(yīng)變從0增加到0.2，體系在常溫下的熱導(dǎo)率被減少50％以上。而當(dāng)壓縮或者彎曲應(yīng)變加載時(shí)，體系的熱導(dǎo)率對(duì)應(yīng)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(dǎo)率強(qiáng)

3、烈依賴(lài)于其尺寸大小和graphene組分比率，并且針對(duì)這些結(jié)果給出了簡(jiǎn)要的理論解釋。這一研究結(jié)果有助于設(shè)計(jì)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(yùn)用非平衡分子動(dòng)力學(xué)的方法，我們研究了熱量在graphene/h-BN雜化納米帶界面?zhèn)鬏斶^(guò)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(jié)構(gòu)具有明顯的熱整流效應(yīng)，其原因?yàn)間raphene和h-BN平面外的聲子

4、模在低頻區(qū)間發(fā)生強(qiáng)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(duì)體系熱整流的影響。比較有趣的是，當(dāng)溫差比較大時(shí)，扶手椅型界面的雜化納米帶中出現(xiàn)了負(fù)微分熱阻現(xiàn)象。聲子譜的分析揭示出橫向聲學(xué)波在界面?zhèn)鳠岬倪^(guò)程中扮演著重要的角色。該研究結(jié)果表明graphene/h-BN雜化納米帶可用于設(shè)計(jì)熱整流器和熱三極管。
　　接著，運(yùn)用反轉(zhuǎn)非平衡分子動(dòng)力學(xué)的方法，我們研究了graphene/h-BN超晶格熱輸運(yùn)性質(zhì)。

5、結(jié)果表明:通過(guò)增加超晶格的周期長(zhǎng)度，其熱導(dǎo)率先減少后增加，存在一個(gè)最小值，顯示出聲子輸運(yùn)從相干性到非相干性的過(guò)渡。此外，我們還發(fā)現(xiàn)最小熱導(dǎo)率對(duì)應(yīng)的周期長(zhǎng)度在高溫條件下會(huì)減少，并且體系熱導(dǎo)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(zhǎng)度的graphene/h-BN超晶格的熱導(dǎo)率幾乎等于其在300K下的熱導(dǎo)率。詳細(xì)的聲子譜分析揭示出熱導(dǎo)率這種異常的變化主要是源于強(qiáng)烈的聲子波動(dòng)相干。這些結(jié)果為納米結(jié)構(gòu)中聲子輸運(yùn)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(lǐng)域具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。
　　最后，通過(guò)譜能密度理論和平衡分子動(dòng)力學(xué)方法，我們系統(tǒng)研究了石墨炔納米管的聲子輸運(yùn)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(dǎo)率。在室溫下，鋸齒型石墨炔管的熱導(dǎo)率為76W/mK，比碳納米管的熱導(dǎo)率低一個(gè)數(shù)量級(jí)，顯示其在熱電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)聲子振動(dòng)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(dǎo)致該頻率區(qū)間內(nèi)的