生物质石墨烯纳米带弹性声学声子输运和热导特性研究

发布时间：2018-03-04 04:16

  本文选题：生物质　切入点：石墨烯纳米带　出处：《中南林业科技大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着新材料技术和纳米技术的快速发展,器件尺度的纳米化已成为了一个不可避免的趋势。由于纳米器件的尺寸效应,它们展现了新颖的物理性质和非常广泛的应用前景。在低维纳米量子结构中,热导是量子化的,因量子受到限制使得声子在激发和输运方面受到了制约,从而导致低维纳米材料中其热导率与体材料相比大大降低。此外,随着电路中电子元器件逐步小型化、高度集成化,这样导致高集成化的量子器件群在工作时其热功率密度迅速增加,这要求这些量子结构具有较高的热导率以便加速散热,避免这些量子器件工作性质不稳定甚至失效。因此,量子器件中的热输运性质引起广泛的关注。本文对石墨烯纳米带的结构、性质以及制备方法作了简要介绍,与以其它材料为原料制备石墨烯相比,以生物质为原料制备石墨烯具有原料丰富、成本低及可大规模批量生产等特点,这正好满足世界各国对石墨烯材料需求急剧增加的市场;并对低维纳米材料中声子的输运和热导特性研究作了评述;然后简述了研究热输运特性的理论方法和建模方法;最后我们建立了多通道不同粗糙边界条件的锯齿形石墨烯纳米带和多弯道锯齿形石墨烯纳米带计算模型,利用非平衡格林函数方法研究了这两种模型的弹性声学声子热输运性质。研究多通道不同粗糙边界条件的锯齿形石墨烯纳米带的结果表明:随着温度的增加,通道数对锯齿形石墨烯纳米带中热输运有较大的影响,在保持能量输出通道中的石墨烯总的链数不变时,随着石墨烯通道数的增加,能够降低每个能量输出通道的热导。最靠近能量输入热库的能量输出通道其热导最大,而最远的能量输出通道其热导最小;位于中间的能量输出通道其热导性质和与其并列的各输出通道结构参数密切相关,虽然其他通道的结构参数发生变化,而能量输出通道中石墨链总数不变,其它通道的结构参数变化没有影响到能量输入通道和输出通道的相对位置,从而这些变化几乎没有影响到通道中的声子透射几率。这些结果表明调制石墨烯纳米带的结构和带宽能用来调控热导,最近和最远的能量输出通道其热导性质仅仅与各自的能量输出通道结构参数有关。另外,研究结果表明:与理想边界结构比较,粗糙边缘结构能够有效地调节各通道的热导,随着温度的增加,高频短波长声子也被激发,这些声子较易遭受粗糙边界的散射影响。这种散射影响由于对各个输出通道的声子透射几率影响各不相同,从而导致与能量输入端最近的输出端以及中间输出端的热导明显降低;而导致与能量输入端最远的输出端的热导反而增强。因此,边界越粗糙,总的热导也降低越明显。所以我们的研究发现:多通道石墨链数链的热导性质与能量输出通道数、每个通道中石墨链数以及边缘结构的粗糙程度紧密相关。通过研究多弯道锯齿形石墨烯纳米带的热输运性质发现:石墨烯纳米带的链数和弯道数的耦合效应可以决定其热输运性质,在保持总的能量输出弯道数不变的条件下,研究并比较了不同石墨烯纳米带的能量输入链数对生物质石墨纳米带弹性声学声子输运的影响,研究结果发现石墨烯纳米带的链数越多,能量输出通道透射系数越大。另外,在保持总的能量输入与输出链数不变的条件下,研究并比较了一个弯道,两个弯道,三个弯道对生物质石墨纳米带弹性声学声子输运的影响,结果表明石墨烯纳米带的弯道数越多,能量输出通道透射系数越小。最后,通过对多通道和多弯道石墨烯纳米带声子热输运的性质的研究对比发现:由于工业产品应用中有不同的结构需求,如果有多端口输出散热或导热需求的,则需要考虑多通道石墨烯纳米带结构;而如果有弯道输出散热或导热要求的,则需要考虑多弯道石墨烯纳米带结构;在实际应用中,多通道石墨烯纳米带则比多弯道石墨烯纳米带使用的更多,这是因为多通道的石墨烯纳米带的能量输出端至少有两个及其以上,因而选择性更高,而多弯道石墨烯纳米带由于只有单一能量输出端,所以选择性就会低很多。
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【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】：2017
【分类号】：TQ127.11;TB383.1
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本文编号：1564089