低维晶格体系中的微热流调控

发布时间：2021-02-23 12:42

　　最近几年发展起来的一个新兴学科—声子学（Phononics）,其旨在探索和分析通过调节声子特定的频率来控制热流传输的学科,处理和调控以声子作为能量和信息载体的信息科学。现在声子学的研究己经初见成果,但是由于声子并不是一个真实存在的基本物理粒子,而是人们为了理解晶格振动而虚拟出来的没有质量、没有电荷的一个能量团,所以其不受重力和电磁力的直接影响,导致给热流的精确调控带来了很大的挑战,因此调控热流的理论基础和科学原理还需要进一步的深入研究。本文通过非平衡分子动力学的方法研究低维非线性晶格体系的热流调控,分析了模型参数和系统外部条件对于热整流以及负微分热阻性质的影响,得到一些普适的、有意义的结论。另外,考虑到由于目前所设计出的声子热器件的模型尺寸大都是微纳米量级的,体系中的量子效应不可忽略,尤其是长时间的演化之后,量子效应对晶格振动传播的热量会产生较大的影响,所以研究了在具有量子效应的非线性晶格体系的热输运性质。这些研究结果为提高热器件效率和设计新的热学器件提供了一些参考意见,本论文研究成果主要集中在以下几个方面:1、研究由Frenkel-Kontorova（FK）和Fermi-Pasta-... 

【文章来源】：湘潭大学湖南省

【文章页数】：78 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

由两段不同模型参数的Frenkel-Kontorova模型组成的二极管的模型，左侧是有着弱的外部余弦势，右侧是强的余弦势，中间则是一个简谐弹簧

起比两段ＦＫ模型的更大的匹配或者不匹配度，得到上千倍的正反热流差。??＇甲甲Ｔ？??图１．１由两段不同模型参数的Ｆｒｅｎｋｅｌ－Ｋｏｎｔｏｒｏｖａ模型组成的二极管的模型，左侧是有??着弱的外部余弦势，右侧是强的余弦势，中间则是一个简谐弹簧。??＂ｂｉ??图１．２由Ｆｒｅｎｋｅｌ－Ｋｏｎｔｏｒｏｖａ模型和Ｆｅｒｍｉ－Ｐａｓｔａ－Ｕｌａｍ晶格链组成的二极管的模型，左??侧是有着外部余弦格点势的ＦＫ模型，右侧是ＦＰＵ晶格，中间则是一个简谐弹簧。??第二种是质量梯度二极管模型。２００６年，美国加州大学的张之威Ｍ等人利用??碳纳米管在实验上实现了微观的固体热整流器。主要的实验就是在一个纳米管的??选取了一部分进行了重分子（Ｃ９Ｈ１６Ｐｔ）的沉积，这样就构造出了非对称的结构（如??图１．３），而且纳米管的不同部分的振动能谱随温度的变化也是不同的，当在这个??系统加上温差之后，观察的数据发现一个方向的热导率要大于另一个方向的热导??大约３％？７％。虽然这个整流效果非常小

（Ｄ）、源极（Ｓ）和栅极（Ｇ）。当在Ｄ和Ｓ极加上温差的时候，流过的漏极和源??极的热流就会受到栅极Ｇ的温度控制。重要的是，晶格管可以放大热流。其简单??的原理图如图１．４，李保文组在２００６年时候提出来的基于ＦＫ晶格的模型图［２２］。??在由两条ＦＫ晶格耦合而成的模型两端加上热浴，左端的温度为７：，右端的??是凡（＞ｒｓ）。另外在中间的耦合区，设置第三个热浴，并且令其温度为７；，??就可以控制热流Ａ与，且４＝冬＋入。下一步定义热流的放大因子为ａ，其??可以用来衡量晶体管的效率。??ｄＪｎ??ａ＝Ｔ７￣?（１．１－１）??ｄＪ〇??考虑到Ｓ和Ｄ段的差分热阻，并带入到（１）式中??ｒｓ?＝?ｉｄＪｓ／ｄＴ〇ｙｌ＿ｃ〇ｍ??，?（１．１．２）??ｒＤ＝－｛ｄＪＤｌｄＴ〇ｙ；Ｄ＿＿ｃｏｎｓｌ??可以得到??ａ＝?—＾—?（１．１．３）??ｒＳ＋ｒＤ??４??

【参考文献】：
期刊论文
[1]变换热学与热能调控[J]. 徐象繁,李保文.  光电工程. 2017(01)



本文编号：3047612