基于分子动力学模拟的低维系统热输运调控研究

发布时间：2020-06-19 06:19

【摘要】：随着纳米加工技术的进步以及器件走向低维纳米尺度,低维体系的热输运正不断成为基础与应用研究共同关注的课题。特别是随着近年来纳米线、纳米管和二维石墨烯等为代表的低维材料热物性实验研究的突破性进展,人们认识到认识和理解这些微纳尺度低维热输运的重要性,也使该方向成为凝聚态物理的重要前沿课题。与宏观体系中的热输运比较,低维体系中热输运具有的独特的性质,宏观体系下材料尺度的变化不会影响材料本征的热导率变化,但低维材料表现出对材料尺度的依赖关系。石墨烯具有较高的热导率,在低维情况下石墨烯的热导率则与尺寸有着关系。目前对低维体系热性质及热输运的研究已经成为凝聚态物理一个非常重要的领域。本论文的主要工作是通过以二维石墨烯为例,通过设计结构缺陷及其位置的关联分布,利用分子动力学模拟的方法,研究石墨烯缺陷结构及其位置关联分布对热导率的调控,探讨低维体系中热输运调控的动力学机制和一般规律。论文主要分为两部分研究内容:1)设计不同缺陷的结构形状,研究石墨烯的缺陷形状对石墨烯热导率的调控机制。通过模拟和对比不同结构的缺陷,我们发现方形缺陷引起热导率的下降较为明显。进一步分析表明方形结构缺陷周围存在较少悬挂键的碳原子,由于这些悬挂键碳原子对低维热输运有较强的散射。2)研究二维石墨烯的中缺陷位置的空间关联分布对石墨烯热导率的调控。研究表明虽然石墨烯孔隙率的大小对于石墨烯热导率有着明显的影响,但在孔隙率相同的情况下,对比石墨烯缺陷位置空间随机分布和分形关联设计,发现分形空间位置关联的缺陷能够显著降低石墨烯的热导率。通过进一步的声子态密度和声子的模式参与度计算,我们发现分形结构的空间位置关联产生更多的低频局域振动,从而引起较强的声子散射进而降低体系的热导率。通过设计低维体系缺陷及其相关空间位置的关联分布,为低维体系热导率的调控和热流的调节提供了可能的途径和方法,对于设计新型低维热电材料和热功能材料具有一定的方法指导意义。
【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O469
【图文】：

集群计算,系统构建,高性能,处理器

王磊基于分子动力学研究低维系统结构缺陷设计与热输运调控的保护起着重要作用。当前地球上约有９０％的能量是通过燃烧化石燃燃烧放出的热的利用率的较低的情况，造成了能源的大大浪费，同时造成了环境的污染，使全球温度升高，造成温室效应以及酸雨等一系能够利用热电效应将化石燃料产生的能量充分利用起来，将其转化为的能量，这不仅能提高化石燃料的利用率，更能缓解当前全球各国面当前科学技术发展的制约，热电转换的效率太低且制备成本过高，故很长一段路要走［７－１２］。逡逑

石墨,层片,碳原子,晶格

由于当前科学技术发展的制约，热电转换的效率太低且制备成本过高，故热电转换的逡逑发展还有很长一段路要走［７－１２］。逡逑图１－１微型处理器、高性能集群计算系统构建图逡逑石墨烯是２１世纪的明星材料，一维单层石墨烯可以将单层石墨烯展现出一种透明的逡逑状态，对光的吸收率达到２．邋３％。然而由于石墨烯是一种独特的蜂巢结构致使它内部蕴含的逡逑杂质和缺陷都处于一种很少的状态，这就导致了它的结构非常稳定，极大的减少了电子迁逡逑移中的散射［１３】，所以在室温状态下石墨烯具有非常高的电子迁移率，甚至超过了逡逑１５０００ｃｍ２／（ｙ＿ｓ；），比现在常用的半导体硅高出１０倍，所以石墨烯被誉为未来纳米材料的逡逑明星材料。石墨烯的电阻率比银低。石墨烯纳米带为半导体，形状为Ｚ字型，能带隙与宽逡逑度成反比。由于石墨烯在电学性质方面的优良独特性，使得石墨烯在弹道运输晶体管、场逡逑发射器、集成电路、透明电极、传感器等方面得到广泛的应用。石墨烯的约翰逊噪声非常逡逑低

【相似文献】