硅纳米笼热导率与石墨烯纳米棘轮效应的分子动力学模拟计算

发布时间：2021-09-25 11:00

　　随着新兴纳米技术的不断发展,纳米结构、纳米材料在解决能源危机与环境问题上发挥着越来越不可替代的作用。其中,纳米结构在传热传质领域的广泛应用为能源存储与转化提供了新的思路。因此,本文从纳米尺度的传热、传质两方面入手,通过分子动力学模拟研究了两种纳米结构产生的“反常”现象,并论述了它们在废热利用及水净化两个领域的实际应用。首先,本文探讨了如何构建纳米结构以实现对声子（热量的主要载流子之一）的有效调控,从而控制热量的传输。在能源空前匮乏的当代,低能源利用率及高废热排放率使得能源危机愈发严重。因此,可将废热直接转化为电能的热电技术成为了解决能源问题的关键。但是体块热电材料的热电转化效率极其低下,人们因此将目光转向了纳米技术。本文从声子输运角度出发,构建了一种特殊的硅纳米笼结构来抑制热输运,提高热电转化效率。我们通过平衡态分子动力学模拟研究了硅纳米笼的热导率。本文研究了温度及硅纳米线（纳米笼的组成单元）的尺寸对硅纳米笼热导率的影响,发现其热导率对纳米线长度以及直径十分敏感,但几乎不随温度变化。本文也探讨了硅纳米笼的对称性以及纳米线交结数目对于热导率的影响。结果显示,硅纳米笼的热导率与纯硅的热导率... 

【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：69 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

纳米棘轮效应示意图

热导率将小于体块 SiNWC 的热导率。这是因为此为弹道输运（Ballistic Transport）[68]，导热能力受限于尺寸体块材料性质，即无穷大的 SiNWC 的热导率，我们在晶胞的期性边界条件。图 3-2 展示了如何在二维模拟体系中实现周期移动超过模拟区域的边界时，它们将重新从相反的方向进入间的相互作用在几何上是周期性的，同时它也保证了模拟盒积守恒。算硅纳米笼热导率用的模拟方法分为 EMD 与 NEMD 两种，本文采用 EMD学特性。对于硅而言，Patrick 发现这两种方法计算出来的热，但计算量却是不同的[69]。若在计算纯硅热导率时使用 NE效应，计算量至少是 EMD 的 10 倍。这是因为纯硅的声子平

图 3-2 典型的二维周期性边界条件示意图同性，因此 NEMD 尺寸收敛性差的弱点被进一本身对声子的散射很强，大大减小了声子的平行计算，计算量也不会过大。此处之所以选界面等非均匀介质的计算[70]，因此本文选择 热导率的流程如下：首先读入指定运算条件的原子的初始位置及初始速度（满足高斯分布）。结构弛豫，使得原子从初始位置运动到平衡位成势能，达到能量均分。弛豫过程始终保持原系统温度不变，施加正则系综（NVT），然后通），保持系统总能量不变。当系统弛豫至平衡态统计误差，通常我们对同一个模拟结构，施加


本文编号：3409605