二維硅納米材料熱輸運性質(zhì)及其調(diào)控.pdf

1、最近，一種類石墨烯結(jié)構(gòu)的二維硅納米材料——硅烯，從理論預測到實驗合成得到廣泛的研究。不同于石墨烯的平面六角結(jié)構(gòu)，硅烯具有低的buckling六角結(jié)構(gòu)。不同于石墨烯的多層堆垛形成石墨結(jié)構(gòu)，其層間僅存范德瓦爾斯作用，也無表面重構(gòu)。硅烯的多層堆垛結(jié)構(gòu)豐富，其層間存在強的共價鍵作用，并且具有明顯的表面重構(gòu)。這些二維硅納米材料其具有優(yōu)異的物理性能，在微電子、新能源等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。熱輸運性質(zhì)是二維硅納米材料的一個重要的基本屬性。而由于實驗

2、條件的限制，理論模擬也處于起步階段，人們對二維硅納米材料熱傳導機制認識不清晰，對其熱輸運性質(zhì)的調(diào)控手段也較為匱乏。因此，本論文中我們基于分子動力學模擬，系統(tǒng)開展了二維硅納米材料熱輸運性質(zhì)及其調(diào)控的研究。本論文的具體要點如下：
　　1.介紹了對硅基納米材料的分類及發(fā)展歷程，側(cè)重闡述了對二維硅納米材料熱輸運性質(zhì)研究的重要性。
　　2.詳細介紹了分子動力學的發(fā)展及其基本概念，計算模擬的大致流程及作用勢的選取和兩類典型的非平衡態(tài)方法

3、對熱輸運性質(zhì)的模擬，同時介紹了利用分子動力學模擬來計算聲子譜的方法。
　　3.我們采用外加溫度梯度的NEMD方法模擬計算了硅烯在光滑的h-BN襯底及h-BN三明治結(jié)構(gòu)下熱導隨長度變化的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)硅烯熱導?與長度的關(guān)系滿足??L?。同時發(fā)現(xiàn)h-BN界面耦合作用可使?顯著增大，表明硅烯聲子的彈道輸運特性在襯底作用下得到了增強。對于放置在h-BN襯底上的情形，我們發(fā)現(xiàn)?增大主要來源于h-BN作用使硅烯ZA聲學支的變化和光學支上移的共同作

4、用。而對于在h-BN三明治結(jié)構(gòu)的情形，硅烯聲子彈道熱輸運的增強主要歸因于層相互作用加強而導致所有聲學支的速度增大。
　　4.基于NEMD模擬，我們研究了層間具有共價鍵作用的多層硅熱輸運性質(zhì)與其表面重構(gòu)及厚度尺寸的關(guān)聯(lián)。我們首先發(fā)現(xiàn)雙層硅結(jié)構(gòu)因表面重構(gòu)結(jié)構(gòu)的差異使得其熱導率呈現(xiàn)顯著的各向異性和高熱導與低熱導的雙向性。繼而固定其表面結(jié)構(gòu)，研究了多層硅熱輸運隨其厚度的演化關(guān)系。發(fā)現(xiàn)隨著層數(shù)的增加而其熱導差異減小，同時各向異性逐步減小。當