【摘要】：全球能源資源的日益減少和人類對(duì)能源需求的不斷提高,始終威脅著人類的可持續(xù)發(fā)展。目前,人類對(duì)能源的利用效率較低,大部分能源以廢熱的形式被浪費(fèi)掉。熱電技術(shù)能夠?qū)U熱直接轉(zhuǎn)換成電能,促進(jìn)廢熱的二次利用,是提高能源利用效率的有效手段。同時(shí),隨著電子器件集成度的快速提高,發(fā)熱功率顯著增強(qiáng),電子器件的散熱成為制約其進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸所在。得益于納米技術(shù)的迅猛發(fā)展,材料合成、加工向微納尺度快速推進(jìn),使人類能夠在更大的維度上調(diào)控材料的熱學(xué)性質(zhì)。相較于傳統(tǒng)體塊材料中的宏觀熱輸運(yùn),低維體系的熱輸運(yùn)存在很多不同之處。因此,研究低維體系中新穎的熱輸運(yùn)規(guī)律和調(diào)控方式,既具備重要的科學(xué)意義,也能為解決上述問(wèn)題提供新的途徑。在各向同性體塊材料中實(shí)現(xiàn)超低熱導(dǎo)率的同時(shí),不影響其電學(xué)性質(zhì),也保證結(jié)構(gòu)易于制備,是熱電研究的主要思路之一。我們提出了基于納米線和納米結(jié)的硅納米籠結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)既有效結(jié)合了硅納米線的低維優(yōu)勢(shì),又具備各項(xiàng)同性的三維體塊特性,更易于實(shí)際應(yīng)用。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬,我們發(fā)現(xiàn)硅納米籠的熱導(dǎo)率,不僅比體硅低三個(gè)數(shù)量級(jí),而且比硅納米線還低一個(gè)數(shù)量級(jí)�；诼曌诱駝�(dòng)模式的分析表明,硅納米結(jié)中聲子波動(dòng)性的局域共振雜化效應(yīng),是導(dǎo)致其熱導(dǎo)率下降的主要原因。同時(shí),我們發(fā)現(xiàn)局域共振雜化的發(fā)生,不需要體系具備周期性,與聲子晶體完全不同。硅納米籠的超低熱導(dǎo)率能大幅提升熱電優(yōu)值,加上易于制備,具有很大的熱電應(yīng)用潛力。為了證明納米結(jié)效應(yīng)不依賴特定材料,我們研究了由石墨烯納米帶構(gòu)成的石墨烯納米結(jié)中的聲子輸運(yùn)。分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算和聲子振動(dòng)模式分析表明,石墨烯納米結(jié)中同樣出現(xiàn)了聲子局域共振雜化效應(yīng)。更有意思的是,通過(guò)輕或重同位素替換,改變石墨烯納米結(jié)中側(cè)帶原子質(zhì)量后,石墨烯納米結(jié)的熱導(dǎo)率出現(xiàn)了反常的增加。這是由于同位素替換改變了局域共振聲子的頻率,而傳播聲子的頻率基本保持不變,共振聲子和傳播聲子頻率的不匹配,導(dǎo)致了雜化破損。通過(guò)納米線或納米帶構(gòu)成納米結(jié)后,其物理邊界形態(tài)的變化,必然會(huì)引起額外的聲子粒子性散射。清晰了解納米結(jié)中聲子波動(dòng)性的局域共振雜化和粒子性的散射對(duì)熱導(dǎo)率的影響,有助于我們更好的優(yōu)化調(diào)控其熱導(dǎo)率。然而,聲子波動(dòng)效應(yīng)和粒子效應(yīng)耦合在一起,對(duì)其獨(dú)立的量化研究成為困擾研究人員的難題�；诿商乜搴头瞧胶飧窳趾瘮�(shù)方法,我們量化了硅納米結(jié)中聲子的波動(dòng)和粒子效應(yīng)對(duì)熱導(dǎo)率的影響。研究結(jié)果表明,在硅納米結(jié)中起主要作用的雖然是聲子波動(dòng)性的局域共振雜化效應(yīng),但基于聲子粒子性的散射仍然占有不可忽視的比重;當(dāng)硅納米結(jié)中納米線的橫截面積為17.72 nm~2時(shí),其粒子效應(yīng)占比達(dá)0.39。該研究不僅表明協(xié)同調(diào)控聲子波動(dòng)和粒子輸運(yùn)的重要性,也為進(jìn)一步精準(zhǔn)調(diào)控材料熱導(dǎo)率打下了基礎(chǔ)。除了產(chǎn)生局域共振雜化外,聲子波動(dòng)輸運(yùn)還能產(chǎn)生梯度特性。梯度功能材料一般由兩種或兩種以上的組分構(gòu)成,通過(guò)連續(xù)改變組分的占比,實(shí)現(xiàn)其功能的梯度特性。我們通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn),組分單一、均勻的碳納米錐,是熱的梯度功能材料。碳納米錐的熱導(dǎo)率沿著徑向從錐頂?shù)藉F底,按對(duì)數(shù)規(guī)律逐漸增大�；诼曌庸β首V和原子振動(dòng)位置的分析表明,這種反常的現(xiàn)象是由于靠近錐頂部分每個(gè)原子上的平均聲子模式密度較大,導(dǎo)致聲子之間產(chǎn)生了更多波動(dòng)性的相消干涉,使得頂部比底部熱導(dǎo)率低。本文針對(duì)低維體系熱輸運(yùn),提出了基于納米結(jié)的調(diào)控方式,觀察到了梯度熱導(dǎo)率現(xiàn)象。研究結(jié)果具備普遍性,對(duì)進(jìn)一步促進(jìn)低維體系的熱電應(yīng)用具有重要意義。
【圖文】：

著地球人口的快速增長(zhǎng)，人類工業(yè)化進(jìn)程不斷加劇，能源消耗日趨嚴(yán)構(gòu)發(fā)生巨大變化。如今，在人類消耗的能源中，仍然以煤炭、石油和再生能源占比僅為 20%左右。中國(guó)作為世界上第二大經(jīng)濟(jì)體，人口眾能源消費(fèi)總量為 44.9 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，比 2016 年增長(zhǎng) 2.9%；其中煤炭消%，清潔能源消耗量占比約 20.8%（如圖 1-1 所示）[1]。煤炭等化石燃在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)騰飛的同時(shí)，也帶來(lái)了很多不利影響，例如全球氣候日益，降水、降雪量改變。同時(shí)，煤炭等化石燃料在使用過(guò)程中會(huì)釋放出有顆粒，嚴(yán)重污染了空氣和水資源等。另一方面，煤炭等化石燃料具有儲(chǔ)量的急劇變少，對(duì)人類的可持續(xù)發(fā)展也構(gòu)成了極大威脅。因此，節(jié)染排放成了全世界關(guān)注的話題，我國(guó)也在“十一五”期間提出了節(jié)能。相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，人類使用的能源大部分以廢熱的形式被浪費(fèi)掉，其美國(guó)約 55.6%[3]。如果能把這些浪費(fèi)的熱能再次利用起來(lái)，將極大提率，達(dá)到節(jié)約能源的目的。

的更新與變革，改變?nèi)祟惖纳罘绞�。作為�?jīng)濟(jì)我國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)規(guī)模高達(dá) 18.5 萬(wàn)億元。電子，驅(qū)動(dòng)集成電路的特征尺寸不斷減小，器件集成目前采用的 14 nm 生產(chǎn)工藝計(jì)算，在一平方厘米成數(shù)量高達(dá)四十億個(gè)左右。同時(shí)，晶體管的工作電會(huì)產(chǎn)生巨大的熱量。這些熱量積聚在極小的器使電子器件的局部溫度急劇升高而形成熱點(diǎn)（降低器件的運(yùn)行速度和可靠性，并最終導(dǎo)致集成m 及以下生產(chǎn)工藝，也必將更大程度提高電子器出了更高的要求。因此，電子器件的熱管理必將，設(shè)計(jì)高導(dǎo)熱的微納結(jié)構(gòu)來(lái)加快散熱，對(duì)電子信
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB383.1;O613.71

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本文編號(hào)：2710037