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技術的重要組成部分和目標,而低維納米材料,如硅納米線、納米管和石墨烯等,因其自身獨特的結構以及與傳統(tǒng)技術之間具有極好的兼容性,而備受人們關注,并且在傳感器、太陽能電池和可循環(huán)能量存儲設備等領域有著巨大的應用潛能。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構中的輸運機理,進而對納米器件的導熱性能進行控制?；诖?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。
　　本文首先以管狀結構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,當系統(tǒng)溫度較低時,分子動力學方法無效,需要對其進行量子修正;氮化硼納米管的熱導率隨溫度的增加呈先線性增加后逐漸降低的趨勢。在應變影響方面,氮化硼納米管的熱導率隨

3、拉伸或壓縮應變的增加逐漸減小,但兩者熱導率減小的機理不同。
　　接著以納米線結構為研究對象分析了結構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對硅納米線的熱輸運性能的影響,發(fā)現硅納米線的熱輸運性能表現出各向異性,其四種晶格方向熱導率排列順序為[110]k>[111]k>[112]k>[100]k。接著建立了含部分無定形結構的單晶/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構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論進行了補充驗證,研究發(fā)現與單晶/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率顯著地低于石墨烯納米

6、帶;石墨炔納米帶的熱導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率高于Armchair型石墨炔納米帶,且石墨炔納米帶的熱導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、力學性能較差的問題,我們應用熱力性能優(yōu)異的石墨烯材料加強硅薄膜的熱力性能,在此基礎上通過研究石墨烯/硅薄膜/石墨烯復合材料的熱輸運性能分析了外加其它結構對納米材料熱輸運性能的影響。首先通