新型生物功能材料—石墨烯纳米带的热导性质研究

发布时间：2020-05-07 22:25

【摘要】：石墨烯,由碳原子构建的单原子层二维六角晶体材料,自2004年首次实验获得以来,由于其优异的电、光、热、机械强度等物理性质,受到了许多科研团队的重视。随着纳米加工技术的不断进步,该材料可加工成各种准一维石墨纳米带量子结构。这些准一维的量子结构中存在独特的物理、化学性质,且其物理、化学性质与其几何构型、掺杂、应变等密切相关。本论文以石墨烯为基础,围绕着石墨烯纳米带的热导性质展开研究。首先对石墨烯纳米带的结构、分类、性质及其在生物医用方面的应用作了简要介绍;然后简述了研究声子透射概率与热输运性质的理论方法:非平衡格林函数方法和密度泛函理论,以及需要用到的软件:VASP、MATLAB、MS;最后我们构建了理想、缺陷掺杂、应变的锯齿形石墨烯纳米带和锡纳米带模型,计算对比了不同结构参数的石墨烯纳米带的透射概率随频率的变化和热导随温度的变化。首先,在保持锯齿形碳链宽度不变的情况下,我们采用非平衡格林函数方法计算研究了锯齿形石墨烯纳米带中三空穴错位分布对声学声子输运和热导性质的影响。研究结果表明:三空穴竖直并排时对低频声子的散射较小,从而导致三空穴竖直并排结构的热导在低温区域最大;然而,在高温区域,三空穴竖直并排结构的热导最小,这是由于散射结构对高频声子散射较大的缘故。以上结果就说明声学声子输运和约化热导都依赖于三空穴的相对位置。另外,对于面内声学振动模,三空穴相对错位分布仅对高温热导影响较大,这是由于三空穴的相对位置变化仅对面内声学模的高频声子透射调节较大而对低频声子透射调节非常小的缘故;然而,三空穴的相对错位分布不仅可以大幅调节面外声学模的高温热导,还可以调节面外声学模的低温热导,这是由于三空穴的相对错位分布可以大幅调节低频区域和高频区域面外声学模的声子透射概率的缘故。然后,采用非平衡格林函数方法结合密度泛函理论系统研究了缺陷和交替BN组合结构对石墨烯纳米带中的热导调制。研究结果表明:具有BN结构的石墨烯纳米带的热导大于具有缺陷结构的石墨烯纳米带的热导;缺陷和BN结构组合可以引发石墨烯纳米带中的高频声子阻塞,声子阻塞效应依赖于缺陷和BN组合的结构参数。此外,缺陷与BN组合能大幅度调节石墨烯纳米带中的声子透射概率和热导。最后,采用非平衡格林函数方法结合一维量子热输运理论系统研究了电-声耦合情形下单原子层锡纳米带和石墨烯纳米带中的电子热输运性质。研究结果表明:锡纳米带和石墨烯纳米带中的电子热输运性质与温度以及化学势紧密相关。锡纳米带中的低温量子热导平台更窄,且高温热导更大。周期应变导致的电-声耦合能周期性地调制锡纳米带与石墨烯纳米带中的电子热导。周期性调制的热导性质与化学势密切相关。
【图文】：

示意图,实验制备,空间结构,单层

实际生活中，所以，科研工作者们对石墨烯不同形态的衍生物进行了大量的研究。逡逑其中，就包括从石墨烯出发蚀刻得到纳米结、纳米带等。利用非平衡格林函数方逡逑法计算表明，当温度为３００Ｋ时，由石墨烯直接蚀刻得到的石墨烯纳米（如图１．２所逡逑示）在接触处的热阻约为１０—１Ｑｍ２邋？邋Ｋ／Ｗ，这比石墨烯与其他材料间的接触热阻逡逑小了一个量级左右。另外，双接口连接的热接触电阻只是略高于单接口连接处的逡逑电阻，这就说明纳米结的热导主要受限于结构最窄区，受接触处的具体结构影响逡逑不大；Ｘｕ等［５］发现连接角越小的石墨烯纳米结热导更低，这些性质与宏观电阻逡逑串联行为截然不同。逡逑＿邋＿逦Ｂ９０邋Ｈ逡逑图］．２将ＺＧＮＲ连接到中间或底部的纳米结示意图，９０表示接口边缘与ＺＧＮＲ之间的夹角ｃ逡逑Ｆｉｇｌ邋．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｓ邋ｏｆ邋ｓｉｎｇｌｅ－ｉｎｔｅｒｆａｃｅ邋ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ邋ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ邋ｂｙ邋ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ邋ＺＧＮＲ邋ｔｏ邋ｔｈｅ邋ｍｉｄｄｌｅ逡逑（Ｍ９０）邋ｏｒ邋ｂｏｔｔｏｍ邋（Ｂ９０），邋９０邋ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓ邋ｔｈｅ邋ａｎｇｌｅ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ｔｈｅ邋ｅｄｇｅ邋ｏｆ邋ｉｎｔｅｒｆａｃｅ邋ａｎｄ邋ｔｈａｔ邋ｏｆ邋ＺＧＮＲ．逡逑２逡逑

热极,输运,石墨,区域

逦新铟生物功能材料－石墨烯纳米带的热导忖质研究逡逑r>逡逑图１．１邋（ａ）表示实验制备的碳单层样品图；（ｂ）表示碳单层的空间结构，它由Ａ、Ｂ两个三角格逡逑子嵌套而成，５，０＇邋＝邋１，２，３）是键矢量。逡逑Ｆｉｇｌ．ｌ邋（ａ）邋ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓ邋ｔｈｅ邋ｃａｒｂｏｎ邋ｍｏｎｏｌａｙｅｒ邋ｓａｍｐｌｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｐｒｅｐａｒｅｄ邋ｂｙ邋ｔｈｅ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；（ｂ）逡逑ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓ邋ｔｈｅ邋ｓｐａｔｉａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｃａｒｂｏｎ邋ｓｉｎｇｌｅ邋ｌａｙｅｒ，邋ｗｈｉｃｈ邋ｉｓ邋ｎｅｓｔｅｄ邋ｂｙ邋Ａ，邋ｂ邋ａｎｄ邋ｔｗｏ邋ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ逡逑ｃｅｌｌｓ，邋５ｉ（ｉ邋＝邋１，２，３）邋ｉｓ邋ｔｈｅ邋ｋｅｙ邋ｖｅｃｔｏｒ．逡逑理想的石墨烯是一种二维无限大的平面结构，实际上很不稳定，，难以应用到逡逑实际生活中，所以，科研工作者们对石墨烯不同形态的衍生物进行了大量的研究。逡逑其中，就包括从石墨烯出发蚀刻得到纳米结、纳米带等。利用非平衡格林函数方逡逑法计算表明，当温度为３００Ｋ时，由石墨烯直接蚀刻得到的石墨烯纳米（如图１．２所逡逑示）在接触处的热阻约为１０—１Ｑｍ２邋？邋Ｋ／Ｗ
【学位授予单位】：中南林业科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11;TB34

【参考文献】