低維納米材料熱輸運性能的分子模擬.pdf

1、發(fā)展新型納米材料和器件是納米科學(xué)技術(shù)的重要組成部分和目標(biāo),而低維納米材料,如硅納米線、納米管和石墨烯等,因其自身獨特的結(jié)構(gòu)以及與傳統(tǒng)技術(shù)之間具有極好的兼容性,而備受人們關(guān)注,并且在傳感器、太陽能電池和可循環(huán)能量存儲設(shè)備等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛能。微納米器件普遍具有高性能和體積緊湊化的特點,因此其自身傳熱和散熱問題愈發(fā)嚴(yán)重,所以有必要通過分析納米材料的熱輸運性能來弄清熱量在微納米結(jié)構(gòu)中的輸運機理,進而對納米器件的導(dǎo)熱性能進行控制。基于此,本

2、文采用分子模擬方法從原子尺度研究了低維納米材料的熱輸運性能,對日后解決微納米器件散熱問題有著重要的參考價值。
　　本文首先以管狀結(jié)構(gòu)為研究對象分析了幾種基本因素對模型熱輸運性能的影響。在長度影響方面,納米管的熱導(dǎo)率隨著長度的增加逐漸增加,且增加趨勢逐漸減弱。在溫度影響方面,當(dāng)系統(tǒng)溫度較低時,分子動力學(xué)方法無效,需要對其進行量子修正;氮化硼納米管的熱導(dǎo)率隨溫度的增加呈先線性增加后逐漸降低的趨勢。在應(yīng)變影響方面,氮化硼納米管的熱導(dǎo)率隨

3、拉伸或壓縮應(yīng)變的增加逐漸減小,但兩者熱導(dǎo)率減小的機理不同。
　　接著以納米線結(jié)構(gòu)為研究對象分析了結(jié)構(gòu)的無定形化對模型熱輸運性能的影響。首先分析了晶格方向?qū)杓{米線的熱輸運性能的影響,發(fā)現(xiàn)硅納米線的熱輸運性能表現(xiàn)出各向異性,其四種晶格方向熱導(dǎo)率排列順序為[110]k>[111]k>[112]k>[100]k。接著建立了含部分無定形結(jié)構(gòu)的單晶/無定形核殼硅納米線模型,通過分析其熱輸運性能,研究了部分無定形結(jié)構(gòu)中無定形硅殼和單晶硅核/無

4、定形硅殼接觸界面對熱輸運性能的影響,研究發(fā)現(xiàn)無定形硅殼和核/殼接觸界面都將降低單晶硅納米線的熱導(dǎo)率,并對其彈道特性有明顯地削弱作用;在無定形硅殼和核/殼接觸界面作用下,單晶/無定形核殼硅納米線表現(xiàn)出明顯的非輸運、擴散特性。最后通過研究單晶/無定形核殼碳硅納米線的熱輸運性能對前面結(jié)論進行了補充驗證,研究發(fā)現(xiàn)與單晶/無定形核殼硅納米線情況類似,單晶/無定形核殼碳硅納米線中無定形硅殼和核/殼接觸界面同樣將降低模型的熱導(dǎo)率,增強模型的擴散特性,

5、但其改變的程度有所減弱。
　　其后本文研究了目前被廣泛關(guān)注的石墨烯和石墨炔納米帶的熱輸運性能,分別分析長度、寬度和手性等因素對模型熱導(dǎo)率的影響。針對石墨烯納米帶的研究表明:手性對納米帶的熱輸運性能有重要影響,Armchair型石墨烯納米帶的熱導(dǎo)率高于Zigzag型石墨烯納米帶;雙層石墨烯間碳原子的成鍵將削弱模型的熱導(dǎo)率,且其削弱效果極為明顯。石墨炔納米帶的熱輸運性能與石墨烯納米帶有較大差別。石墨炔納米帶的熱導(dǎo)率顯著地低于石墨烯納米

6、帶;石墨炔納米帶的熱導(dǎo)率隨著碳鏈中碳原子的增加而逐漸減小;與石墨烯納米帶相反,Zigzag型石墨炔納米帶的熱導(dǎo)率高于Armchair型石墨炔納米帶,且石墨炔納米帶的熱導(dǎo)率隨長度和寬度等的變化趨勢與石墨烯納米帶有一定的區(qū)別。
　　最后針對硅薄膜熱學(xué)、力學(xué)性能較差的問題,我們應(yīng)用熱力性能優(yōu)異的石墨烯材料加強硅薄膜的熱力性能,在此基礎(chǔ)上通過研究石墨烯/硅薄膜/石墨烯復(fù)合材料的熱輸運性能分析了外加其它結(jié)構(gòu)對納米材料熱輸運性能的影響。首先通