本文選題：納米線　切入點(diǎn)：納米帶　出處：《湖南大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：隨著能源短缺、環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重,開發(fā)高性能熱電材料和高效熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)引起了世界各國(guó)的高度重視。準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)材料一方面可以利用強(qiáng)烈的聲子-邊界散射來降低晶格熱導(dǎo)率,另一方面可以利用量子限制效應(yīng)提高功率因子,從而提高其熱電性能。本論文運(yùn)用第一性原理結(jié)合玻爾茲曼輸運(yùn)方程和非平衡格林函數(shù)方法,以及分子動(dòng)力學(xué)方法系統(tǒng)研究了準(zhǔn)一維納米體系(納米帶,納米管和納米線)中的熱輸運(yùn)和熱電性質(zhì),并得到一些有意義的結(jié)果。首先,我們利用非平衡分子動(dòng)力學(xué)方法研究了不同尺寸和不同生長(zhǎng)方向的砷化銦納米線的聲子熱輸運(yùn)性質(zhì)。計(jì)算結(jié)果表明砷化銦納米線的熱導(dǎo)率具有顯著的各向異性特征。并且發(fā)現(xiàn)其沿著[110]方向生長(zhǎng)的納米線熱導(dǎo)率要比沿著[100]和[111]方向生長(zhǎng)的納米線熱導(dǎo)率大三倍左右。隨著溫度的升高,沿著[110]方向生長(zhǎng)的納米線熱導(dǎo)率會(huì)迅速下降。然而,其他兩個(gè)方向上的熱導(dǎo)率對(duì)溫度變化不太敏感。另外,我們還發(fā)現(xiàn)隨著砷化銦納米線長(zhǎng)度的增加,會(huì)出現(xiàn)從彈道熱輸運(yùn)到彈道-擴(kuò)散混合熱輸運(yùn)的轉(zhuǎn)變,并且對(duì)這些結(jié)果給出了簡(jiǎn)要的物理分析。我們還推測(cè)出具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)納米線的熱導(dǎo)率都有各向異性特征。其次,運(yùn)用非平衡格林函數(shù)方法,我們研究了砷化銦納米管的熱電性質(zhì)。研究結(jié)果表明,由于量子限制效應(yīng)的增強(qiáng)而導(dǎo)致功率因子的增加,使得具有某一特定內(nèi)徑的砷化銦納米管比砷化銦納米線具有更高的熱電優(yōu)值。砷化銦納米管的熱電優(yōu)值可以達(dá)到1.74,這一數(shù)值相當(dāng)于砷化銦納米線熱電優(yōu)值的三倍左右。另外,我們還發(fā)現(xiàn)砷化銦納米管的熱電優(yōu)值隨著內(nèi)徑的增加而急劇減少,這是由于低頻率光學(xué)聲子模的“紅移”導(dǎo)致聲子熱導(dǎo)急劇增加而造成的。接著,運(yùn)用非平衡格林函數(shù)方法和分子動(dòng)力學(xué)模擬方法,我們研究了多重核殼納米線的熱電性能。結(jié)果表明:與單一成分的納米線比較,多重核殼納米線的熱電性能隨著殼層數(shù)的增加而顯著提高,這是因?yàn)槠渎曌訜釋?dǎo)能夠明顯減小。在室溫下,Ga Sb/In As多重核殼納米線的熱電優(yōu)值是單一成分的Ga Sb納米線的三倍。另外,我們還發(fā)現(xiàn)核殼納米線和單一成分納米線的熱電優(yōu)值都隨著溫度升高而增大,但是核殼納米線熱電優(yōu)值的增加速度要比單一成分納米線的熱電優(yōu)值增大的緩慢。這些結(jié)果表明單一成分納米線更適合做高溫度下的熱電材料,而多重核殼納米線更合適做室溫下的熱電材料。然后,運(yùn)用非平衡格林函數(shù)方法,我們系統(tǒng)地研究了四種典型的石墨炔納米帶的熱電性質(zhì)。結(jié)果表明:由于高的功率因子和低的聲子熱導(dǎo),β-,γ-和(6,6,12)-石墨炔納米帶表現(xiàn)出優(yōu)異的熱電性能,他們的熱電優(yōu)值可以達(dá)到石墨烯納米帶熱電優(yōu)值的10倍。另外,我們也研究了引入缺陷對(duì)β-型石墨炔熱電性質(zhì)的影響。我們發(fā)現(xiàn)含有缺陷的β-型石墨炔納米帶具有比理想β-型石墨炔更高的熱電優(yōu)值。含有缺陷的β-型石墨炔的熱電優(yōu)值可達(dá)1.64,是理想β-型石墨炔納米帶熱電優(yōu)值的六倍左右,這是由于缺陷所產(chǎn)生的聲子局域態(tài)對(duì)聲子產(chǎn)生強(qiáng)烈的散射,導(dǎo)致聲子熱導(dǎo)急劇減少,而與此同時(shí)時(shí)功率因子并沒有惡化引起的。最后,運(yùn)用第一性原理計(jì)算結(jié)合聲子玻爾茲曼輸運(yùn)方程,我們系統(tǒng)地研究了單層WSe_2的聲子輸運(yùn)。跟其他二維材料比較,發(fā)現(xiàn)單層WSe_2具有超低熱導(dǎo)率,這是由于超低的德拜頻率和重的原子質(zhì)量導(dǎo)致的。在室溫下,1μm典型樣本的熱導(dǎo)率是3.98W/m K,比Mo S2要低一個(gè)數(shù)量級(jí),10nm大小樣本的熱導(dǎo)率可以進(jìn)一步降低大約95%。并且,我們發(fā)現(xiàn)ZA聲子模對(duì)熱導(dǎo)率起主導(dǎo)作用,在室溫下的相對(duì)貢獻(xiàn)幾乎達(dá)到80%,明顯比單層Mo S2要高。這是因?yàn)樵趩螌覹Se_2中,ZA聲子模比LA聲子模和TA聲子模具有更長(zhǎng)的聲子壽命。
[Abstract]:With the energy shortage and environmental pollution problems have become increasingly serious, the development of high performance thermoelectric materials and high thermoelectric conversion technology has attracted great attention around the world. A quasi one dimensional nanostructure materials can reduce lattice thermal conductivity using strong phonon boundary scattering, on the other hand can improve the power factor of the quantum confinement effect, so as to improve the thermoelectric properties. This paper using the first principle combined with the Boltzmann transport equation and non-equilibrium Green function method, and the molecular dynamics method of quasi one dimensional nano system (nanobelts, nanotubes and nanowires) in the heat transport and thermoelectric properties, and get some meaningful results. Firstly, the phonon thermal indium arsenic we use non-equilibrium molecular dynamics method to study the different dimensions and the growth direction of the nanowires. The calculation results show that the transport properties of indium arsenide The thermal conductivity of nanowires has obvious anisotropic characteristics. And the growth along the [110] direction of the nanowires thermal conductivity than the growth along the [100] direction and [111] direction of the nanowire thermal conductivity is about 3 times. With the increase of temperature, the growth along the [110] direction of the nanowires thermal conductivity decreased rapidly. However, the thermal conductivity of other the two direction of the rate is not too sensitive to temperature change. In addition, we also found that with the increase of InAs nanowire length, will shift from ballistic thermal transport to ballistic diffusion heat transport, and the results are given a brief analysis of the physics. We also speculate that thermal conductivity of sphalerite the structure of the nanowire rate are anisotropic characteristics. Secondly, using the non-equilibrium Green's function method, we study the thermoelectric properties of indium arsenide nanotubes. The results show that, due to the enhancement of quantum confinement To increase the power factor, the indium arsenide nanotubes with a specific diameter has a higher value than thermoelectric InAs nanowires. Thermoelectric InAs nanotubes could reach a value of 1.74, about three times the equivalent of InAs nanowires. Another figure of merit we also found that thermoelectric indium arsenide nanotubes with diameter value increased sharply, which is caused by the low frequency optical phonon mode "red shift" led to a sharp increase in phonon thermal conductivity. Then, using the Green function method and non equilibrium molecular dynamics simulation method, we study the thermoelectric properties of multiple core shell nanoparticles line. The results showed that: compared with the single component of the thermoelectric properties of nanowires, multiple core-shell nanowires increased with the increase of layers of shell, this is because the phonon thermal conductivity can obviously decrease. At room temperature, Ga Sb/In A Thermoelectric s multiple core-shell nanowires is three times the value of Ga Sb nanowires with single component. In addition, we also found that the thermoelectric core-shell nanowires and nanowire single component values are increased with the increase of temperature, but CSNWs ZT value increased faster than a single figure of merit divided into nanowires increases slowly. These results indicate that single component nanowires are more suitable for high temperature thermoelectric materials, and multiple core-shell nanowires more suitable as thermoelectric material at room temperature. Then, using the non-equilibrium Green's function method, we systematically studied the four kinds of typical nano thermoelectric properties of graphdiyne belt. The results showed that: the high power factor and low phonon thermal conductivity, beta, and gamma (6,6,12) - graphdiyne nanoribbons exhibited excellent thermoelectric properties, their ZT value of 10 times can reach graphenenanoribbon ZT value. On the other Outside, we also studied the effect of introducing defects on beta type graphdiyne thermoelectric properties. We found defective beta type graphdiyne nanoribbons with thermoelectric higher than ideal beta type graphdiyne value. ZT defective beta type Shi Moque is 1.64 and the value is about six times the ideal beta type graphite alkyne nanobelts figure of merit, which is due to phonon localized states defects generated by strong scattering of phonon, phonon thermal conductivity leads to decreased rapidly, while at the same time when the power factor is not caused. Finally, combined with the calculation of phonon Boltzmann transport equation using the first principle, our system study of phonon transport of WSe_2 monolayer. Compared with the other two materials, found that the single WSe_2 with ultra low thermal conductivity, which is due to the Debye frequency ultra low and heavy atom quality result. At room temperature, the thermal conductivity of 1 m typical sample The rate is 3.98W/m K, an order of magnitude lower than that of Mo S2, 10nm thermal conductivity of sample size rate can be further reduced about 95%. and ZA, we found that the leading role of phonon thermal conductivity at room temperature, the relative contribution of almost 80%, significantly higher than single Mo S2 to high. This is because in the single 2 WSe_, the ZA phonon phonon lifetime is longer than the LA phonon and TA phonon modes.

【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB383.1

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