發(fā)布時(shí)間：2018-06-07 18:58

  本文選題：硅納米線 + 熱導(dǎo)率�。� 參考：《湘潭大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：納米結(jié)構(gòu)熱輸運(yùn)的理解和調(diào)控將對(duì)熱電裝置以及微米、納米電子設(shè)備的熱操作的發(fā)展起到非常重要的作用。由于低維材料具有很高的比表面積,源于納米結(jié)構(gòu)中聲子與表面的散射,顯著的尺寸效應(yīng)限制了熱輸運(yùn)性能。然而目前人們對(duì)聲子-表面散射的物理機(jī)制仍了解不夠透徹,聲子-表面散射對(duì)熱輸運(yùn)的精確影響仍不清楚,需要對(duì)此進(jìn)行深入研究。本文提出了一種新的聲子-表面散射機(jī)制,即表面鍵序缺陷對(duì)聲子的散射。表面原子配位數(shù)比體內(nèi)原子低(稱為鍵序缺陷),表面原子的鍵長(zhǎng)收縮,鍵能增強(qiáng),導(dǎo)致力常數(shù)增加,表面原子力常數(shù)的增加對(duì)晶格振動(dòng)系統(tǒng)的哈密頓量產(chǎn)生微擾,從而對(duì)聲子產(chǎn)生散射。我們結(jié)合鍵序理論和量子微擾理論,推導(dǎo)出了該機(jī)制的散射率公式。結(jié)合該散射機(jī)制與聲子玻爾茲曼輸運(yùn)方程,我們計(jì)算了粗糙表面硅納米線的熱導(dǎo)率值,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Casimir極限,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量很好吻合,并且解釋了粗糙硅納米線熱導(dǎo)率顯著下降的物理機(jī)制是由于表面鍵序缺陷對(duì)高頻聲子強(qiáng)烈散射,導(dǎo)致高頻聲子對(duì)粗糙硅納米線熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)明顯下降。我們進(jìn)一步研究了粗糙表面硅納米線的直徑、粗糙度均方根、粗糙度相關(guān)長(zhǎng)度和比表面積這四個(gè)形貌參數(shù),以及表面自相關(guān)函數(shù)(高斯表面以及指數(shù)表面)對(duì)熱導(dǎo)率的影響。結(jié)果表明比表面積是對(duì)粗糙硅納米線熱導(dǎo)率影響最重要的參數(shù)。在形貌參數(shù)相同的情況下,由于指數(shù)表面具有更多的高頻小起伏,其比表面積大于高斯表面,所以具有指數(shù)表面的粗糙硅納米線熱導(dǎo)率也更低。本文的研究不僅有助于理解聲子-表面散射的物理機(jī)制,也有助于利用表面工程對(duì)納米結(jié)構(gòu)熱導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)控。
[Abstract]:The understanding and regulation of thermal transport in nanostructures will play an important role in the development of thermoelectric devices and the thermal operation of micron and nano-electronic devices. Due to the high specific surface area of low-dimensional materials due to the scattering of phonons and surfaces in nanostructures, the thermal transport properties are limited by the significant size effect. However, the physical mechanism of phonon-surface scattering is not well understood, and the exact effect of phonon-surface scattering on thermal transport is still unclear. In this paper, a new phonon-surface scattering mechanism is proposed, which is the scattering of phonons by surface bond order defects. The coordination number of surface atoms is lower than that of internal atoms (called bond order defects). The bond length of surface atoms shrinks and bond energy increases, which results in the increase of force constants, and the increase of surface atomic force constants causes perturbation to the Hamiltonian of lattice vibration systems. Thus the phonon is scattered. Based on bond order theory and quantum perturbation theory, the scattering rate formula of this mechanism is derived. Combining the scattering mechanism with the phonon Boltzmann transport equation, we calculate the thermal conductivity of silicon nanowires on rough surface, which is far below the Casimir limit, and the calculated results are in good agreement with the experimental measurements. It is explained that the physical mechanism of the decrease of thermal conductivity of rough silicon nanowires is that the contribution of high frequency phonons to the thermal conductivity of rough silicon nanowires is obviously decreased due to the strong scattering of high frequency phonons by surface bond defects. We further investigated the influence of surface autocorrelation function (Gao Si surface and exponential surface) on thermal conductivity of silicon nanowires on rough surface, including the diameter of silicon nanowires, the root-mean-square of roughness, roughness correlation length and specific surface area, and the influence of surface autocorrelation function (Gao Si surface and exponential surface) on thermal conductivity. The results show that the specific surface area is the most important parameter affecting the thermal conductivity of rough silicon nanowires. With the same morphologic parameters, the thermal conductivity of the rough silicon nanowires with exponential surface is lower because the exponential surface has more high frequency and small fluctuations and its specific surface area is larger than that of the Gao Si surface. The study in this paper not only helps to understand the physical mechanism of phonon-surface scattering, but also helps to regulate the thermal conductivity of nanostructures by surface engineering.
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TB383.1;O551.3

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本文編號(hào)：1992410