本文關(guān)鍵詞：準(zhǔn)一維雜化納米結(jié)構(gòu)聲子輸運的分子動力學(xué)研究　出處：《湖南大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：近年來,隨著納米科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,新型的納米材料和器件引起了人們的廣泛關(guān)注。碳納米管、石墨帶和硅納米線等準(zhǔn)一維納米材料也成為了人們研究的熱點,由于其具有優(yōu)良的光學(xué),電學(xué)及磁學(xué)性能,被研究人員認(rèn)為是下一代納米器件的理想材料。然而當(dāng)器件的尺寸進入到納米量級,電子電路將會高度集成化,散熱問題正在成為制約該領(lǐng)域發(fā)展的主要瓶頸之一。因此研究準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)中熱傳導(dǎo)的規(guī)律及底層機制,對于更好的控制熱量在器件中傳輸有著舉足輕重的意義。本文采用分子動力學(xué)方法研究了準(zhǔn)一維雜化納米結(jié)構(gòu)的聲子輸運性能,得到了一些重要的結(jié)果。首先,我們利用反轉(zhuǎn)非平衡分子動力學(xué)方法研究了不同種類的應(yīng)變對graphene/h-BN雜化納米帶熱輸運性質(zhì)的影響。計算結(jié)果表明不同的應(yīng)力對雜化納米帶熱導(dǎo)率的影響是不一樣的。當(dāng)拉伸或者剪切應(yīng)變加載時,隨著應(yīng)變從0增加到0.2,體系在常溫下的熱導(dǎo)率被減少50%以上。而當(dāng)壓縮或者彎曲應(yīng)變加載時,體系的熱導(dǎo)率對應(yīng)變的大小不太敏感。此外,我們還發(fā)現(xiàn)雜化納米帶的熱導(dǎo)率強烈依賴于其尺寸大小和graphene組分比率,并且針對這些結(jié)果給出了簡要的理論解釋。這一研究結(jié)果有助于設(shè)計基于graphene/h-BN雜化納米帶高性能的熱控制器和熱電器件。其次,運用非平衡分子動力學(xué)的方法,我們研究了熱量在graphene/h-BN雜化納米帶界面?zhèn)鬏斶^程。發(fā)現(xiàn)熱量能夠容易地從h-BN傳遞到graphene,反之卻非常困難,這顯示出該異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有明顯的熱整流效應(yīng),其原因為graphene和h-BN平面外的聲子模在低頻區(qū)間發(fā)生強烈的共振。為了獲得最優(yōu)的熱整流效率,我們考慮了環(huán)境溫度,尺寸,溫差和界面密度對體系熱整流的影響。比較有趣的是,當(dāng)溫差比較大時,扶手椅型界面的雜化納米帶中出現(xiàn)了負(fù)微分熱阻現(xiàn)象。聲子譜的分析揭示出橫向聲學(xué)波在界面?zhèn)鳠岬倪^程中扮演著重要的角色。該研究結(jié)果表明graphene/h-BN雜化納米帶可用于設(shè)計熱整流器和熱三極管。接著,運用反轉(zhuǎn)非平衡分子動力學(xué)的方法,我們研究了graphene/h-BN超晶格熱輸運性質(zhì)。結(jié)果表明:通過增加超晶格的周期長度,其熱導(dǎo)率先減少后增加,存在一個最小值,顯示出聲子輸運從相干性到非相干性的過渡。此外,我們還發(fā)現(xiàn)最小熱導(dǎo)率對應(yīng)的周期長度在高溫條件下會減少,并且體系熱導(dǎo)率的降低幅度隨溫度的降低而增加。特別在200K下,一些特定周期長度的graphene/h-BN超晶格的熱導(dǎo)率幾乎等于其在300K下的熱導(dǎo)率。詳細(xì)的聲子譜分析揭示出熱導(dǎo)率這種異常的變化主要是源于強烈的聲子波動相干。這些結(jié)果為納米結(jié)構(gòu)中聲子輸運性質(zhì)的調(diào)控提供了一種全新的思路,在熱電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域具有重要的潛在應(yīng)用價值。最后,通過譜能密度理論和平衡分子動力學(xué)方法,我們系統(tǒng)研究了石墨炔納米管的聲子輸運性質(zhì)。相比于同尺寸的碳納米管,石墨炔納米管具有超低的熱導(dǎo)率。在室溫下,鋸齒型石墨炔管的熱導(dǎo)率為76W/m K,比碳納米管的熱導(dǎo)率低一個數(shù)量級,顯示其在熱電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價值。通過聲子振動模式的分析,發(fā)現(xiàn)石墨炔管中sp碳原子和sp2碳原子在低頻區(qū)域發(fā)生了局域共振。這種共振將導(dǎo)致該頻率區(qū)間內(nèi)的聲子模被局域和呼吸模消失,即聲子群速度會大幅度地的降低。其次,聲子馳豫時間也由于此類共振會明顯降低。根據(jù)動力學(xué)理論,聲子群速度和馳豫時間同時減少將導(dǎo)致體系熱導(dǎo)率顯著下降。
[Abstract]:In recent years, with the rapid development of nano science and technology, new nanomaterials and devices have attracted wide attention. Carbon nanotubes, graphite ribbons and silicon nanowires and other quasi one dimensional nanomaterials have also become the research focus. Because of their excellent optical, electrical and magnetic properties, researchers believe that they are ideal materials for the next generation of nanodevices. However, when the size of the device enters the nanometer scale, the electronic circuit will be highly integrated, and the heat dissipation is becoming one of the main bottlenecks that restrict the development of this field. Therefore, the study of the law of heat conduction and the underlying mechanism in the quasi one dimensional nanostructure is of great significance for the better control of heat transfer in the device. In this paper, the molecular dynamics method is used to study the phonon transport properties of quasi one dimensional hybrid nanostructures, and some important results are obtained. First, we study the effect of different kinds of strain on the thermal transport properties of graphene/h-BN hybrid nanoribbons by using reverse nonequilibrium molecular dynamics (MD). The results show that the effect of different stress on the thermal conductivity of hybrid nanoscale is different. When the tensile or shear strain is loaded, the thermal conductivity of the system is reduced by more than 50% at room temperature as the strain increases from 0 to 0.2. When the compression or bending strain is loaded, the thermal conductivity of the system is not very sensitive to the size of the strain. In addition, we also found that the thermal conductivity of hybrid nanobelts strongly depended on its size and graphene component ratio, and gave a brief theoretical explanation for these results. The results of this study are helpful for the design of thermal controllers and thermoelectric devices based on the high performance of graphene/h-BN hybrid nanoribbons. Secondly, using the method of non-equilibrium molecular dynamics, we studied the transfer process of heat in the graphene/h-BN hybrid nanoribbon interface. It is found that heat can be easily transferred from h-BN to graphene, but vice versa, which shows that the heterostructure has obvious thermal rectification effect. The reason is that the phononic modes of graphene and h-BN are strongly resonating in the low frequency range. In order to obtain the optimal thermal rectifying efficiency, we consider the influence of ambient temperature, size, temperature difference and interface density on the thermal rectifying system. Interestingly, negative differential thermal resistance appeared in the hybrid nanoribbons of the armchair interface when the temperature difference was large. The analysis of phonon spectra shows that the transverse acoustic wave plays an important role in the process of interfacial heat transfer. The results show that the graphene/h-BN hybrid nanoribbons can be used for the design of hot rectifiers and hot triode. Then, the thermal transport properties of graphene/h-BN superlattice are studied by using the inversion nonequilibrium molecular dynamics method. The results show that by increasing the period length of superlattice, the thermal conductivity decreases and then increases, and there is a minimum value, indicating the transition from coherence to non coherence. In addition, we find that the corresponding cycle length of the minimum thermal conductivity decreases under high temperature, and the decrease of the thermal conductivity of the system increases with the decrease of temperature. In particular, under 200K, the thermal conductivity of some graphene/h-BN superlattice with certain period length is almost equal to its thermal conductivity under 300K. The detailed phonon spectrum analysis reveals that the variation of thermal conductivity is mainly due to strong phonon wave coherence. These results provide a new idea for the modulation of the phonon transport properties in nanostructures, and have an important potential application value in the field of thermoelectric conversion. Finally, by means of spectral density theory and equilibrium molecular dynamics, the phonon transport properties of graphite acetylene nanotubes have been studied systematically. Compared with the same size carbon nanotubes, graphite acetylene nanotubes have ultra-low thermal conductivity. At room temperature, the thermal conductivity of zigzag graphite and acetylene tubes is 76W/m K, which is one order of magnitude lower than the thermal conductivity of carbon nanotubes, indicating its potential application in the field of thermoelectric conversion. Through the analysis of the phonon vibration mode, it is found that the SP carbon atom and the SP2 carbon atom in the graphite acetylene tube have local resonance in the low frequency region. This resonance will result in the disappearance of the phonon modes in the frequency range by the local and respiratory modes, that is, the velocity of the sound subgroup will be greatly reduced. Secondly, the time of phonon relaxation also decreases obviously because of this kind of resonance. According to the kinetic theory, the decrease of the velocity and relaxation time of the phonon group will lead to a significant decrease in the thermal conductivity of the system.
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TB383.1;O561

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