【摘要】：隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展,材料的特征尺寸不斷縮小到納米級,由此產(chǎn)生的尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng),使得MEMS構(gòu)件的物理性質(zhì)明顯異于體態(tài)材料。納米材料的熱輸運特性影響著電子器件和系統(tǒng)的可靠性和工作效率,因此分析納米結(jié)構(gòu)中的聲子熱輸運特性具有重要的意義。當(dāng)材料的特征尺寸達(dá)到能量載流子的特性尺寸時,其導(dǎo)熱系數(shù)不再是材料的本質(zhì)屬性,而是受到材料的尺寸、結(jié)構(gòu)和邊界等因素影響。所以,在低維納米結(jié)構(gòu)中,宏觀體材料的熱輸運理論已不再適用,需要從量子力學(xué)的角度研究系統(tǒng)的聲子熱輸運性質(zhì)。本論文中首先介紹了課題的研究背景和相關(guān)二維納米材料的研究現(xiàn)狀。接著對聲子熱輸運基本理論和計算方法進(jìn)行了詳細(xì)綜述,包括計算晶體色散關(guān)系的晶格動力學(xué)方法和第一性原理計算方法。這些方法將在下面章節(jié)中分別用來研究硅納米薄膜和單原子層材料的聲子性質(zhì)與導(dǎo)熱系數(shù)。在本文中提出了一種大尺度晶格動力學(xué)方法,并利用這種方法對光滑硅薄膜的聲子色散關(guān)系進(jìn)行了驗證,通過比較超原胞和單原胞的聲子色散關(guān)系,證實了所提方法的正確性。計算結(jié)果表明,納米級厚度的硅薄膜的導(dǎo)熱系數(shù)比體態(tài)硅的導(dǎo)熱系數(shù)小兩個數(shù)量級。運用該方法研究了二維多孔硅薄膜的色散關(guān)系,進(jìn)一步研究硅聲子晶體色散關(guān)系與孔隙度和厚度的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn),孔的存在降低了三個聲學(xué)支的聲子群速度;隨著孔隙度的增加,聲子群速度快速下降;增加薄膜厚度主要增加了法向聲子群速度。利用第一性原理計算方法對二維單原子層材料的熱學(xué)性質(zhì)和聲子散射機(jī)制進(jìn)行了討論。首先,研究了單層石墨烯和硅烯的導(dǎo)熱系數(shù)和聲子散射機(jī)制,比較兩者之間的差異,包括聲子色散關(guān)系、聲子弛豫時間、三聲子散射相空間以及各個聲子支對導(dǎo)熱系數(shù)的貢獻(xiàn)率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者的導(dǎo)熱系數(shù)和聲子性質(zhì)存在很大的差異。然后,研究了第三主族元素硼、鋁、鎵、銦的單層氮化物h-BN、h-AlN、h-GaN和h-InN的熱輸運性質(zhì)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著原子序號的增加,聲子色散帶隙變寬,導(dǎo)熱系數(shù)降低。這種變化趨勢是由于氮化物兩個原子質(zhì)量和原子半徑?jīng)Q定的。在文章的最后,是整篇論文工作的一個總結(jié)和展望。
【圖文】：

導(dǎo)熱系數(shù)非常高。所以人們致力于料。通過控制材料的塞貝克系數(shù)和電導(dǎo)率保持不料的熱電優(yōu)值。系統(tǒng)中微尺度傳熱的重要性，，接下來的核心任務(wù)。一方面，需要尋找高導(dǎo)熱系數(shù)的材料改善 ME，尋找低導(dǎo)熱系數(shù)的材料或結(jié)構(gòu)用以提高熱電器門新興的研究領(lǐng)域，研究納米結(jié)構(gòu)的傳熱規(guī)律。實驗方面已經(jīng)獲得了大量的成果。度材料體系的一個重要參數(shù)，低維材料是指材料效應(yīng)，使其性質(zhì)發(fā)生變化的一類材料，如零維納薄膜等。例如，近幾十年里發(fā)現(xiàn)碳元素還存在許llerene)、碳納米管(CNTs)和石墨烯(Graphene)，如特殊的制備工藝形成的低維納米材料具有許多不，特殊的物化性質(zhì)決定了其廣闊的應(yīng)用前景。

圖 1-2 電子顯微鏡下的石墨烯結(jié)構(gòu)[35]驗室下觀測到石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)如圖 1-2 所示，是由單層35]，平面內(nèi)的每個 C 原子與周圍 3 個 C 原子相連，C 原 3 個 鍵，形成 120o的鍵角。其面內(nèi)的楊氏模量高達(dá) 1倍[36, 37]。石墨烯對可見光吸收率僅 2.3%，厚度為 500nm擁有超高的電子遷移率、優(yōu)良的氣密性、易被化學(xué)修飾等人[25]通過光熱拉曼實驗技術(shù)，首次測得了室溫下石墨烯 W/(m·K)，遠(yuǎn)高于石墨的導(dǎo)熱系數(shù)；Jauregui 等人[39]利用制備的石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)在 1500~5000 W/( m·K)范圍內(nèi)4 層后的石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)在 2000~5000 W/( m·K) 范圍數(shù)實驗如圖 1-3 所示。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.1

【參考文獻(xiàn)】

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1 王春陵;華克強(qiáng);孫淑光;;基于MEMS技術(shù)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)在空地制導(dǎo)武器中的應(yīng)用[J];中國慣性技術(shù)學(xué)報;2007年03期

本文編號：2669242