基于声子波动性调控低维体系热导率的理论与模拟研究

发布时间：2020-06-12 19:59

【摘要】：全球能源资源的日益减少和人类对能源需求的不断提高,始终威胁着人类的可持续发展。目前,人类对能源的利用效率较低,大部分能源以废热的形式被浪费掉。热电技术能够将废热直接转换成电能,促进废热的二次利用,是提高能源利用效率的有效手段。同时,随着电子器件集成度的快速提高,发热功率显著增强,电子器件的散热成为制约其进一步发展的瓶颈所在。得益于纳米技术的迅猛发展,材料合成、加工向微纳尺度快速推进,使人类能够在更大的维度上调控材料的热学性质。相较于传统体块材料中的宏观热输运,低维体系的热输运存在很多不同之处。因此,研究低维体系中新颖的热输运规律和调控方式,既具备重要的科学意义,也能为解决上述问题提供新的途径。在各向同性体块材料中实现超低热导率的同时,不影响其电学性质,也保证结构易于制备,是热电研究的主要思路之一。我们提出了基于纳米线和纳米结的硅纳米笼结构。该结构既有效结合了硅纳米线的低维优势,又具备各项同性的三维体块特性,更易于实际应用。通过分子动力学模拟,我们发现硅纳米笼的热导率,不仅比体硅低三个数量级,而且比硅纳米线还低一个数量级。基于声子振动模式的分析表明,硅纳米结中声子波动性的局域共振杂化效应,是导致其热导率下降的主要原因。同时,我们发现局域共振杂化的发生,不需要体系具备周期性,与声子晶体完全不同。硅纳米笼的超低热导率能大幅提升热电优值,加上易于制备,具有很大的热电应用潜力。为了证明纳米结效应不依赖特定材料,我们研究了由石墨烯纳米带构成的石墨烯纳米结中的声子输运。分子动力学计算和声子振动模式分析表明,石墨烯纳米结中同样出现了声子局域共振杂化效应。更有意思的是,通过轻或重同位素替换,改变石墨烯纳米结中侧带原子质量后,石墨烯纳米结的热导率出现了反常的增加。这是由于同位素替换改变了局域共振声子的频率,而传播声子的频率基本保持不变,共振声子和传播声子频率的不匹配,导致了杂化破损。通过纳米线或纳米带构成纳米结后,其物理边界形态的变化,必然会引起额外的声子粒子性散射。清晰了解纳米结中声子波动性的局域共振杂化和粒子性的散射对热导率的影响,有助于我们更好的优化调控其热导率。然而,声子波动效应和粒子效应耦合在一起,对其独立的量化研究成为困扰研究人员的难题。基于蒙特卡洛和非平衡格林函数方法,我们量化了硅纳米结中声子的波动和粒子效应对热导率的影响。研究结果表明,在硅纳米结中起主要作用的虽然是声子波动性的局域共振杂化效应,但基于声子粒子性的散射仍然占有不可忽视的比重;当硅纳米结中纳米线的横截面积为17.72 nm~2时,其粒子效应占比达0.39。该研究不仅表明协同调控声子波动和粒子输运的重要性,也为进一步精准调控材料热导率打下了基础。除了产生局域共振杂化外,声子波动输运还能产生梯度特性。梯度功能材料一般由两种或两种以上的组分构成,通过连续改变组分的占比,实现其功能的梯度特性。我们通过分子动力学模拟计算发现,组分单一、均匀的碳纳米锥,是热的梯度功能材料。碳纳米锥的热导率沿着径向从锥顶到锥底,按对数规律逐渐增大。基于声子功率谱和原子振动位置的分析表明,这种反常的现象是由于靠近锥顶部分每个原子上的平均声子模式密度较大,导致声子之间产生了更多波动性的相消干涉,使得顶部比底部热导率低。本文针对低维体系热输运,提出了基于纳米结的调控方式,观察到了梯度热导率现象。研究结果具备普遍性,对进一步促进低维体系的热电应用具有重要意义。
【图文】：

着地球人口的快速增长，人类工业化进程不断加剧，能源消耗日趋严构发生巨大变化。如今，在人类消耗的能源中，仍然以煤炭、石油和再生能源占比仅为 20%左右。中国作为世界上第二大经济体，人口众能源消费总量为 44.9 亿吨标准煤，比 2016 年增长 2.9%；其中煤炭消%，清洁能源消耗量占比约 20.8%（如图 1-1 所示）[1]。煤炭等化石燃在促进经济腾飞的同时，也带来了很多不利影响，例如全球气候日益，降水、降雪量改变。同时，煤炭等化石燃料在使用过程中会释放出有颗粒，严重污染了空气和水资源等。另一方面，煤炭等化石燃料具有储量的急剧变少，对人类的可持续发展也构成了极大威胁。因此，节染排放成了全世界关注的话题，我国也在“十一五”期间提出了节能。相关统计表明，人类使用的能源大部分以废热的形式被浪费掉，其美国约 55.6%[3]。如果能把这些浪费的热能再次利用起来，将极大提率，达到节约能源的目的。

的更新与变革，改变人类的生活方式。作为经济我国电子信息产业规模高达 18.5 万亿元。电子，驱动集成电路的特征尺寸不断减小，器件集成目前采用的 14 nm 生产工艺计算，在一平方厘米成数量高达四十亿个左右。同时，晶体管的工作电会产生巨大的热量。这些热量积聚在极小的器使电子器件的局部温度急剧升高而形成热点（降低器件的运行速度和可靠性，并最终导致集成m 及以下生产工艺，也必将更大程度提高电子器出了更高的要求。因此，电子器件的热管理必将，设计高导热的微纳结构来加快散热，对电子信
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.1;O613.71

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本文编号：2710037