低維納米結構的熱輸運性質研究.pdf

1、低維納米結構中的熱輸運是一個極具理論意義和有著廣泛應用價值的前沿課題。這方面的研究能幫助解決目前困擾集成電路發(fā)展的的散熱問題、指導和發(fā)現(xiàn)更為高效的隔熱材料、制備和合成高性能的熱電材料進而緩解日益嚴重的能源問題、設計和構造對熱量輸運調(diào)控更具優(yōu)越性的熱控制器件。本文采用非平衡格林函數(shù)方法,對幾種典型低維納米結構中的量子熱輸運性質進行了系統(tǒng)的研究。為這些納米結構的應用和物性調(diào)控提供了有益的理論指導和依據(jù)。本文主要內(nèi)容如下:
　　1、研究

2、了鋸齒型同位素超晶格石墨納米帶(IS-ZGNRs)中的熱輸運性質。結果發(fā)現(xiàn)通過同位素超晶格調(diào)制,鋸齒型石墨納米帶的熱導可以得到極大的降低。IS-ZGNRs的熱導強烈依賴于超晶格的長度和同位素的質量差。隨著超晶格長度的減小,熱導會經(jīng)歷了一個先減小后增大的轉變。這一奇特的現(xiàn)象可以通過分析聲子透射系數(shù)獲得解釋。而同位素質量對于熱導的影響卻是單調(diào)的。較大的質量差會導致較小的熱導。此外,還討論了結構尺寸對熱導的影響。
　　2、石墨納米結是構

3、造未來納米器件及納米回路的重要組成部分。采用非平衡格林函數(shù)方法,探索了三終端石墨納米結的的聲子學性質。結果顯示熱流在非對稱三終端石墨納米結中更傾向于沿著從窄到寬的方向流動,展現(xiàn)了顯著的彈道熱整流效應。其整流效率強烈地依賴于石墨納米結的非對稱性,并且會隨著左右熱極寬度差的增加而快速地增加。同時,熱極間夾角的形狀也對熱整流效應起了非常重要作用。通過定性的分析,我們解釋了非對稱石墨納米結中的熱整流機制。
　　3、基于折疊石墨納米帶,提出

4、了一種具有類似于電子電路中變阻器功能的熱導控制器。這種基本的熱元器件可以通過改變折疊石墨納米帶的幾何結構來連續(xù)、可逆地調(diào)節(jié)熱導,其調(diào)節(jié)范圍可以高達平整石墨納米帶熱導(-1nm寬7-15nm長)的40％左右。在這種結構調(diào)制下,熱導線性依賴于折疊角度,并且會隨著層間距的變化呈現(xiàn)了一個轉變行為。該熱器件能在聲子回路及納米尺度的熱控制中發(fā)揮極其重要的作用。
　　4、前面的研究主要關注了石墨烯體系的熱輸運性質。采用非平衡格林函數(shù)方法,還研究

5、了六角氮化硼納米帶(BNNRs)的熱輸運性質。通過計算它的聲子譜和熱導,發(fā)現(xiàn)BNNRs同樣擁有出色的熱輸運性質。其熱導可以與石墨納米帶的熱導相比擬,在室溫下前者甚至還能優(yōu)于后者。還擬合了用以描述 BNNRs熱導特征的公式,揭示了溫度的1.5次方關系在BNNRs熱輸運中起的關鍵作用。此外,顯著的熱各向異性也在BNNRs中被觀察到。室溫下,鋸齒型BNNRs的熱導要比扶手椅型納米帶的熱導高出20%左右。
　　5、石墨炔,一種新型的碳同素

6、異形體,也是現(xiàn)今納米結構研究領域的熱點之一。對它的熱輸運性質進行了探索。結果發(fā)現(xiàn)石墨炔的熱輸運性質只有石墨烯的40%左右。扶手椅型石墨炔納米帶(A-GYNRs)熱導呈現(xiàn)線性寬度依賴關系,而鋸齒型石墨炔納米帶(Z-GYNRs)熱導則表現(xiàn)了一個階梯狀的寬度依賴關系。同時,A-GYNRs的熱輸運性質要優(yōu)于Z-GYNRs,展現(xiàn)出明顯的各向異性熱傳導性質(兩倍高于石墨烯)。通過分析石墨炔納米帶的聲子色散關系,解釋了石墨炔中的熱各向異性。此外,還對