【摘要】：隨著世界能源危機(jī)以及環(huán)境污染的日益嚴(yán)重,對新型熱電材料的探索受到了人們的關(guān)注與重視,使得熱電材料已經(jīng)成為納米材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)研究的前沿和熱點課題之一。作為一種新型的熱電材料,硅納米線結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為科學(xué)家們關(guān)注的目標(biāo)。與相應(yīng)的體材料相比,硅納米線表現(xiàn)出了一些奇特的物理和化學(xué)性質(zhì)。例如:納米線體系邊緣部分原子具有的高配位缺陷和異常能態(tài),將影響體系的力、熱、光和電子學(xué)等性能。在影響硅納米線熱電性質(zhì)的參數(shù)當(dāng)中,熱導(dǎo)率是一個極其重要的物理參量。對此,科學(xué)家們在降低硅納米線熱導(dǎo)率中取得了相當(dāng)多的進(jìn)展,但是,也存在不少沒有解決的問題,比如:納米線表面粗糙度的定義、界面調(diào)制等等。因此,在本論文中,基于原子鍵弛豫理論和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論,建立了尺度和表/界面參數(shù)依賴的硅納米線熱導(dǎo)率模型。在此基礎(chǔ)上,系統(tǒng)闡述了邊緣效應(yīng)(包括不同表面粗糙度、形貌、生長取向以及界面調(diào)制等)對硅納米線熱導(dǎo)率影響的物理機(jī)制,取得的主要進(jìn)展如下:(1)定義了表征納米線表面粗糙度的因子,并且系統(tǒng)地研究了不同的表面粗糙度、尺寸、形貌(圓形、六邊形、四邊形和三角形)以及生長取向([111]、[110]、[100])對硅納米線熱導(dǎo)率的影響的物理機(jī)制。結(jié)果表明:第一,在一定條件下,與圓形、六邊形和四邊形相比,三角形的硅納米線的熱導(dǎo)率最小。第二,在一定的尺寸下,生長取向為[110]的四邊形納米線與其他生長取向([111]、[100])相比具有最高的熱導(dǎo)率。第三,硅納米線熱導(dǎo)率可以通過設(shè)計邊緣結(jié)構(gòu),比如:體積、表面小晶面的形狀等來控制。我們的理論結(jié)果與實驗和模擬的結(jié)果一致,給硅納米線熱導(dǎo)率的可控調(diào)制提供了一種理論指導(dǎo)。(2)基于原子鍵弛豫理論和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論,探索了外延層對硅納米線軸向熱導(dǎo)率的調(diào)制機(jī)理。結(jié)果表明:由于應(yīng)變和界面失配與表面弛豫引發(fā)的彈性應(yīng)變能的改變,核殼納米結(jié)構(gòu)的結(jié)合能和熱導(dǎo)率與裸線的硅納米線的不相同。同時,也研究了核殼納米結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率與尺寸的關(guān)系,結(jié)果表明可以在界面中有效地調(diào)節(jié)熱性能。這進(jìn)一步表明了,該方法提供了一個基本的理論方法來解釋在核殼結(jié)構(gòu)中熱導(dǎo)率的界面效應(yīng),并且在實驗裝置設(shè)備中起了指導(dǎo)性作用。
[Abstract]:With the world energy crisis and environmental pollution becoming more and more serious, people pay more attention to the exploration of new thermoelectric materials. Thermoelectric materials have become one of the frontier and hot topics in nanomaterial science and condensed matter physics. As a new thermoelectric material, the structure of silicon nanowires has become the focus of scientists. Compared with the corresponding bulk materials, the silicon nanowires exhibit some peculiar physical and chemical properties. For example, the high coordination defects and abnormal states of the atoms at the edge of nanowires will affect the mechanical, thermal, optical and electronic properties of the system. Among the parameters affecting the thermoelectric properties of silicon nanowires, thermal conductivity is an extremely important physical parameter. In this regard, scientists have made considerable progress in reducing the thermal conductivity of silicon nanowires, but there are still many unsolved problems, such as the definition of surface roughness of nanowires, interface modulation and so on. Therefore, based on the atomic bond relaxation theory and continuum mechanics theory, a thermal conductivity model of silicon nanowires based on scale and surface / interface parameters is established in this paper. On this basis, the physical mechanism of the effect of edge effect (including different surface roughness, morphology, growth orientation and interface modulation) on the thermal conductivity of silicon nanowires is systematically expounded. The main advances are as follows: (1) the factors that characterize the surface roughness of nanowires are defined, and different surface roughness, size, morphology (circular, hexagonal, hexagonal) are systematically studied. The physical mechanism of the effects of quadrilateral and triangular) and growth orientation ([111], [110], [100]) on the thermal conductivity of silicon nanowires. The results show that: first, under certain conditions, the thermal conductivity of triangular silicon nanowires is the least than that of circular, hexagonal and quadrilateral silicon nanowires. Secondly, the quadrilateral nanowires with a growth orientation of [110] have the highest thermal conductivity compared with other growth orientations ([111], [100]) at a certain size. Thirdly, the thermal conductivity of silicon nanowires can be controlled by designing edge structures, such as volume, shape of surface facets, etc. Our theoretical results are consistent with the experimental and simulation results, which provide a theoretical guide for the controllable modulation of thermal conductivity of silicon nanowires. (2) based on the atomic bond relaxation theory and continuum mechanics theory, The modulation mechanism of the epitaxial thermal conductivity of silicon nanowires was investigated. The results show that the binding energy and thermal conductivity of core-shell nanostructures are different from those of bare wire silicon nanowires due to the change of strain and interface mismatch and elastic strain energy induced by surface relaxation. The relationship between the thermal conductivity and the size of core-shell nanostructures is also studied. The results show that the thermal properties can be adjusted effectively in the interface. This further indicates that this method provides a basic theoretical method to explain the interfacial effect of thermal conductivity in core-shell structures and plays a guiding role in experimental equipment.
【學(xué)位授予單位】：湖南師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ127.2;TB383.1

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本文編號：2167338