低維晶格體系中熱整流的研究.pdf

1、自上世紀末開始，得益于計算機技術(shù)的快速發(fā)展，人們在低維體系中的熱傳導(dǎo)的計算模擬研究方面取得了長足的進步。低維體系由于受到空間維度的限制而呈現(xiàn)出了與三維體系不同的宏觀熱輸運性質(zhì)，使得許多低維體系展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。對低維晶格模型熱傳導(dǎo)的早期研究中，人們就發(fā)現(xiàn)一些體系的熱導(dǎo)率隨體系尺寸的增加而按冪指數(shù)規(guī)律增加，稱之為反常熱傳導(dǎo)現(xiàn)象，這為設(shè)計（微）小型集成電路中的高效散熱組件、發(fā)展更高效的導(dǎo)熱與隔熱材料提供了一種可能。近年來，一些納米量級的

2、熱器件模型已經(jīng)被人們設(shè)計出來，例如，熱二級管、熱晶體管、熱邏輯門器件、熱存儲器等，他們在熱輸運、熱控制以及信息處理等方面都具備潛在的應(yīng)用價值。在這些熱器件性質(zhì)的研究中，對熱器件熱整流性質(zhì)的研究是最基本的研究內(nèi)容之一。因此，如何有效的提高熱器件的熱整流以及實現(xiàn)對熱流的控制，是設(shè)計和制備更高要求熱器件的必然要求。本文首先建立了兩個低維晶格模型，圍繞如何提高和控制體系熱整流這一問題，采用非平衡分子動力學(xué)方法，對建立的低維晶格模型的熱整流性質(zhì)開

3、展了研究。
　　(1)我們研究了在基底對低維晶格熱整流的影響。結(jié)果表明通過調(diào)節(jié)基底質(zhì)量和鏈間耦合系數(shù)可以達到調(diào)控低維晶格熱整流的目的。由于在鏈間引入耦合作用會在相互耦合的粒子間產(chǎn)生界面熱阻，阻礙了熱量的傳輸，導(dǎo)致系統(tǒng)總體熱流減小。基底質(zhì)量與最大原子質(zhì)量的比值?在0.5時熱整流效果最好，而耦合系數(shù)傾向于在比較大時，體系的熱整流效果最好。相對于沒有基底耦合，我們發(fā)現(xiàn)合適的基底質(zhì)量和鏈間耦合系數(shù)會使具有質(zhì)量梯度的一維晶格鏈具有更高的熱整

4、流效果，雖然整個體系的熱流在減小，但其熱整流因子卻在提高。另外，從聲子模式匹配的角度我們很好的說明的模型中的熱整流現(xiàn)象。
　　(2)我們研究了兩段具有質(zhì)量梯度FK鏈耦合時體系的熱整流性質(zhì)。結(jié)果表明，質(zhì)量梯度鏈由于質(zhì)量梯度的引入增加了相鄰原子間的界面熱阻，阻礙了熱流的傳播，在相同條件下，其熱流小于質(zhì)量均勻鏈流過的熱流，但是，具有質(zhì)量梯度鏈比不具有質(zhì)量梯度鏈具有更好的熱整流因子。同時，還可以通過改變兩段FK鏈原子相互作用勢系數(shù)和外部勢

5、系數(shù)的關(guān)系來實現(xiàn)調(diào)節(jié)體系的熱整流。原子相互作用勢系數(shù)對于正向熱流和負向熱流都有比較顯著的影響，體系熱整流因子可以達到了500左右，其對熱整流因子提高明顯；外部勢系數(shù)的關(guān)系對于正向熱流影響有限，而對于反向熱流影響顯著，通過調(diào)節(jié)外部勢系數(shù)的關(guān)系，也可以達到好的熱整流效果，另外，通過調(diào)節(jié)左右兩端鏈之間的原子相互作用勢系數(shù)以及外部勢系數(shù)的關(guān)系，均可以實現(xiàn)對熱流的反轉(zhuǎn)，即負向熱流從小于正向熱流變?yōu)榇笥谡驘崃?。為了更好的理解模型中的熱整流現(xiàn)象，我