二维硅纳米材料热输运性质及其调控

发布时间：2017-08-04 18:17

  本文关键词：二维硅纳米材料热输运性质及其调控

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【摘要】：最近,一种类石墨烯结构的二维硅纳米材料——硅烯,从理论预测到实验合成得到广泛的研究。不同于石墨烯的平面六角结构,硅烯具有低的buckling六角结构。不同于石墨烯的多层堆垛形成石墨结构,其层间仅存范德瓦尔斯作用,也无表面重构。硅烯的多层堆垛结构丰富,其层间存在强的共价键作用,并且具有明显的表面重构。这些二维硅纳米材料其具有优异的物理性能,在微电子、新能源等领域具有广泛的应用前景。热输运性质是二维硅纳米材料的一个重要的基本属性。而由于实验条件的限制,理论模拟也处于起步阶段,人们对二维硅纳米材料热传导机制认识不清晰,对其热输运性质的调控手段也较为匮乏。因此,本论文中我们基于分子动力学模拟,系统开展了二维硅纳米材料热输运性质及其调控的研究。本论文的具体要点如下:1.介绍了对硅基纳米材料的分类及发展历程,侧重阐述了对二维硅纳米材料热输运性质研究的重要性。2.详细介绍了分子动力学的发展及其基本概念,计算模拟的大致流程及作用势的选取和两类典型的非平衡态方法对热输运性质的模拟,同时介绍了利用分子动力学模拟来计算声子谱的方法。3.我们采用外加温度梯度的NEMD方法模拟计算了硅烯在光滑的h-BN衬底及h-BN三明治结构下热导随长度变化的关系。发现硅烯热导?与长度的关系满足L???。同时发现h-BN界面耦合作用可使?显著增大,表明硅烯声子的弹道输运特性在衬底作用下得到了增强。对于放置在h-BN衬底上的情形,我们发现?增大主要来源于h-BN作用使硅烯ZA声学支的变化和光学支上移的共同作用。而对于在h-BN三明治结构的情形,硅烯声子弹道热输运的增强主要归因于层相互作用加强而导致所有声学支的速度增大。4.基于NEMD模拟,我们研究了层间具有共价键作用的多层硅热输运性质与其表面重构及厚度尺寸的关联。我们首先发现双层硅结构因表面重构结构的差异使得其热导率呈现显著的各向异性和高热导与低热导的双向性。继而固定其表面结构,研究了多层硅热输运随其厚度的演化关系。发现随着层数的增加而其热导差异减小,同时各向异性逐步减小。当厚度达到十层的时候,多层硅热导的各向异性基本消失。
【关键词】：硅烯 多层硅 分子动力学 界面耦合 热输运的各向异性
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O627.41;TB383.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-13
• 1.1 引言8-9
• 1.2 硅纳米材料分类及其研究现状9-11
• 1.3 二维硅纳米材料热输运性质的重要性11-12
• 1.4 主要研究的内容12-13
• 第2章 分子动力学方法13-22
• 2.1 分子动力学简介13-18
• 2.1.1 基本概念和原理13-15
• 2.1.2 势函数的选取15-17
• 2.1.3 积分算法17-18
• 2.2 热传导的分子动力学模拟18-22
• 2.2.1 两类热传导分子动力学的考察18-20
• 2.2.2 声子谱的分子动力学方法20-22
• 第3章 硅烯热传导性质及其调控的研究22-30
• 3.1 研究背景22-23
• 3.2 计算方法与模型23-24
• 3.3 h-BN衬底对硅烯热导率的影响24-29
• 3.3.1 弱相互作用界面效应25-27
• 3.3.2 强相互作用界面效应27-28
• 3.3.3 机理分析之界面效应对硅烯声子散射的影响28-29
• 3.4 小结29-30
• 第4章 多层硅热输运性质的研究30-38
• 4.1 研究背景30-31
• 4.2 计算方法与模型31-33
• 4.3 多层硅热导率随层数的各向异性与尺寸效应33-37
• 4.4 小结37-38
• 第5章 总结与展望38-40
• 5.1 工作总结38-39
• 5.2 工作展望39-40
• 参考文献40-47
• 致谢47-48
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果48

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本文编号：621005