强关联材料中自旋熵增强电势

热电势是凝聚态物质研究中的重要参量 .当样品棒的两端存在温差 ,电荷载流子将产生从高温端向低温端的扩散 .扩散导致了反向电场的建立 ,当电场的静电力与扩散力平衡 ,扩散停止 ,结果棒两端的电压与温差成正比 ,即｜α｜=E T,其中E是电场强度 , T是温度梯度 ,比例系数α是Seebeck系数 .热电材料已经在发电和制冷等领域获得了广泛的应用 ,例如 ,为“探测者”宇宙飞船提供电力、冷却豪华轿车中的座椅等 .金属和半导体均具有热电效应 ,但目前的应用多为半导体热电材料 .这是因为金属中的热电效应比半导体弱得多 :在室温Cu的Seebeck系数小于 …     

Mo2C二维材料晶格热导率的第一性原理研究

Mo₂C是构建Mxene基器件的重要材料之一,对Mo₂C二维材料声子输运的理解非常必要.文章结合第一性原理方法和声子玻尔兹曼输运方程,研究了二维Mo₂C材料的晶格热导率.研究表明,室温下二维Mo₂C导热系数非常低,其锯齿方向和扶手椅方向的晶格热导率分别为7.20和5.04 W/mK.计算了声学振动和光学振动模式对晶格热导率的贡献,揭示总热导率主要由面内声学横波的振动模式所贡献.还进一步计算了声子群速度、声子弛豫时间、三声子散射空间和模式格林艾森参数,发现二维Mo₂C中的声子群速度和声子弛豫时间对晶格传输有重要的影响.     

一种双臂型低温导热带的性能研究

详细介绍了低温导热带的设计特点。从理论上分析了低温导热带的冷量传输性能和减振特性,得到通过利用高导热率材料可以有效地减小导热温差和降温时间。通过实验验证了低温导热带与制冷机和高温超导滤波器的耦合实验,耦合温差为2.5K。实验结果和理论值基本吻合,分析了造成温差的原因。根据实验结果,提出了新的改进和实施方案。     

二维Mo2C的晶格热导率的第一性原理研究

Mo2C是构建Mxene基器件的重要材料之一,对Mo2C二维材料声子输运的理解非常必要。文章结合第一性原理方法和声子玻尔兹曼输运方程,研究了二维Mo2C材料的晶格热导率。研究表明,室温下二维Mo2C导热系数非常低,其锯齿方向和扶手椅方向的晶格热导率分别为7.20 和 5.04 W/mK。计算了声学振动和光学振动模式对晶格热导率的贡献,揭示总热导率主要由面内声学横波的振动模式所贡献。还进一步计算了声子群速度、声子弛豫时间、三声子散射空间和模式格林艾森参数,发现二维Mo2C中的声子群速度和声子弛豫时间对晶格传输有重要的影响。     

石墨烯的声子热学性质研究

声子是石墨烯导热过程中的主要载体,而声子的弛豫时间又是其中最基本、最重要的物理量.本文采用简正模式分解法研究了石墨烯声子的弛豫时间,并且借此分析了不同声子在导热过程中的贡献.该方法通过平衡分子动力学模拟实现,首先通过模拟得到单个声子的能量自相关函数衰减曲线,并进一步采用拟合和积分两种方法得到单个声子的弛豫时间.然后,研究了弛豫时间与波矢、频率和温度的关系.结果发现,弛豫时间随波矢的变化与对应的色散关系相近,弛豫时间与频率和温度的关系符合理论模型:1/τ=νnTm,其中声学支的n为1.56,而光学支结果较为发散,指数m对于不同声子支结果略有不同.最后,还研究了不同频率声子对导热的贡献,发现低频声子在态密度上占有绝对优势,并且其弛豫时间整体高于高频声子,所以低频声子对导热的贡献占据主导地位.     

单壁碳纳米管晶格热导率的理论计算

基于线性波尔兹曼输运方程和碳纳米管的色散关系,本文研究了声子散射的Umklapp和Normal过程同时存在时单壁碳纳米管的晶格热导率,以及温度、管长和管径对它的影响.结果表明:N过程的影响在高温不能忽略;对(10,0)管而言,在低温下其导热率随温度升高迅速增大,在90 K附近达到最大值,然后逐渐开始下降;热导率与管长L的关系是κ∝ L1/2;在相同管长和温度下,热导率随管径的减小而增大.     

声子气的黏度

声子是介电固体中导热过程的主要载体,研究声子的黏性对正确预测纳米材料中的非傅里叶导热等现象有着重要意义.本文从热质理论出发,基于涨落耗散理论导出了声子气黏度的表达式:ηh=hv/3πλα,其中ηh表示声子气的黏度,v_a为声子平均频率,λ为声子波长,α为材料热扩散系数。预测了单晶硅在300 K时的声子气黏度,其参考值为4.8×10~(-9)Pa·s。并且与基于声子水动力学模型和气体动理论模型的声子气黏度结果进行比较,发现本文模型的结果比声子水动力学模型的结果大2个量级,而比动理论模型小5个量级。     

基于热质运动概念的普适导热定律

根据爱因斯坦的质能等效关系式,热能具有的等效质量称为热质,从而在固态和气态介质中分别建立了声子气质量和热子气质量的概念.应用牛顿定律建立了含有驱动力、阻力和惯性力的热质(声子气或热子气)运动的动量守恒方程.由于热量在介质中的传递本质上就是热质(声子气和热子气)在介质中的运动,所以热质动量守恒方程就是普适的导热定律,能够统一描述各种条件下的导热规律.当热流密度不是很大从而热质惯性力可以忽略时,热质动量守恒方程就退化为傅里叶导热定律,这表明傅里叶导热定律是特殊条件下的导热定律,对于微纳尺度条件下的导热,热流密度可以极高,由速度空间变化引起的惯性力不能忽略,在稳态导热情况下也将出现非傅里叶导热,此时在计算或者实验中不能用热流密度除温度梯度求导热系数.在超快速加热条件下,必需考虑惯性力,与基于CV导热模型的波动方程相比,普适的导热定律增加了因速度空间变化引起的惯性力项,所以在介质中热波叠加时不会出现产生负温度的非物理现象,表明基于热质运动概念的普适导热定律更为合理. 关键词： 傅里叶导热定律 普适导热定律 热质运动 非傅里叶导热     

一个简单、快速、非破坏性地测定低导热材料导热系数的热比较仪

Powell提出的热比较器法具有测试时间短、不破坏被测材料的优点.在Powell热比较器的基础上,参考Goldsmid比较器,我们设计了一种适宜测试各种建筑材料、塑料等低导热材料导热系数的热比较仪. 该仪器的测量本体是一个特殊的探头(见图1).探头的主要测试元件是两对铜—镰铜热电偶.温差热电偶A用以测定热端与探头触点之间的温差,温差热电偶B用来测定     

La_(2-x)Sr_xCuO_4单晶的各向异性热导率的测量

采用加热器和温差电偶搭建了低温热导率的稳态法测量装置,并研究了高温超导材料La_(2-x)Sr_xCuO_4(x=0.01~0.04)单晶的各向异性热导率.实验发现:热导率随温度的变化存在明显的声子峰,并且随着Sr掺杂量的增大,声子热导率逐渐被压制,声子峰的强度也逐渐变弱,该现象来源于掺杂引起的晶格无序度的增强.对于欠掺杂的样品,a方向的热导率总是比b方向的大,这可能源于自旋/电荷沿a轴方向形成准一维的条纹状分布,而准一维的条纹结构会对b方向传导的声子产生额外的散射作用.     

硅纳米薄膜中声子弹道扩散导热的蒙特卡罗模拟

通过建立声子散射概率函数描述声子在输运过程中的散射,提出了一种模拟声子弹道扩散导热的蒙特卡罗方法,并将其应用于硅纳米薄膜中的稳态和瞬态弹道扩散导热过程的研究. 提出的蒙特卡罗方法对边界发射的声子束进行跟踪,根据散射概率函数模拟声子束在传播区域内经历的散射过程,并通过统计声子束的分布得到温度分布. 稳态导热过程的模拟发现,尺寸效应会引起边界温度跳跃,其值随着Knudsen数的增大而增大;计算的硅纳米薄膜的热导率随着厚度的增大而增大,与文献中的实验数据和理论模型相符. 通过瞬态导热过程的模拟得到了纳米薄膜内的温度分布随时间的变化,发现瞬态导热过程中的热波现象与空间尺度相关,材料尺寸越小,弹道输运越强,薄膜中的热波现象也越显著. 关键词： 纳米薄膜 弹道扩散导热 蒙特卡罗模拟 尺寸效应     

人工带隙材料的拓扑性质

近年来,人工带隙材料(如声子晶体和光子晶体)由于其优异的性能,已成为新一代智能材料的研究焦点.另一方面,材料拓扑学由凝聚态物理领域逐渐延伸到其他粒子或准粒子系统,而研究人工带隙材料的拓扑性质更是受到人们的广泛关注,其特有的鲁棒边界态,具有缺陷免疫、背散射抑制和自旋轨道锁定的传输等特性,潜在应用前景巨大.本文简要介绍拓扑材料特有的鲁棒边界态的物理图像及其物理意义,并列举诸如光/声量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、Floquet拓扑绝缘体等相关工作;利用Dirac方程,从原理上分析光/声拓扑性质的由来;最后对相关领域的发展方向和应用前景进行了相应的讨论.     

拓扑声子晶体

拓扑物态是当前凝聚态及材料物理领域的关注焦点.声子晶体是具有周期性结构的人工材料,其中的声子态或声波态也可具有拓扑性质.从声子晶体的背景知识出发,介绍了2类拓扑声子晶体的研究进展,即能谷声子晶体和外尔声子晶体,它们具有良好鲁棒性及超导传输特性的拓扑界/表面波,这种无障碍的传输特性具有广阔的应用前景.     

单根单壁碳纳米管导热系数随长度变化尺度效应的实验和理论

考虑纳米碳管与基体之间的热损失,采用四焊盘-3ω法测量了室温下基体表面不同长度单根单壁碳纳米管(SWNT)的导热系数.SWNT的导热系数在测试长度范围(05—7μm)内随长度的增大而增大,增加的幅度逐渐减小.考虑二阶3-声子过程的影响,采用改进的WV模型预测了SWNT导热系数随长度的变化规律.理论预测的声子平均自由程～175nm.导热系数的测量结果与室温下不同长度SWNT的实验结果相吻合.理论预测结果与实验结果均说明SWNT导热系数随长度变化具有尺度效应. 关键词： ω法')" href="#">3ω法 单壁碳纳米管 导热系数 二阶3-声子过程     

一维均匀Morse晶格体系的热流棘齿效应

本文系统研究了系统两端无平均温差时一维均匀Morse晶格中的热流棘齿效应. Morse晶格的两端分别与两个热浴相接触, 其中一端热浴温度周期调制,另一端热浴温度保持不变, 两端热浴温度长时平均相等. 数值结果表明, 当对一端热浴温度进行周期调制时, 系统中便会有稳定的定向热流产生. 通过改变调制频率和强度, 可以控制热流的大小及方向. 在合适的频率范围内, 可观察到一种非常有趣的现象——非定态负热导现象, 即系统中产生的定向热流逆着系统温度梯度方向由低温端流向高温端. 通过热波动力学分析(分析热流及温度分     

声子气的状态方程和声子气运动的守恒方程

根据爱因斯坦的狭义相对论中质能的等效关系，把固体(本文指非导体)晶格(原子)的质量分为晶格(原子)的静质量和晶格热振动能量的等效质量两个部分，后者就是固体中声子气的等效质量.晶格(原子)热振动的能量则分为晶格(原子)静质量具有的热能以及声子气质量具有的热能.基于固体的状态方程，导得了晶格静质量热振动的状态方程和声子气的状态方程.声子气在固体介质中的宏观运动就是热量在固体中的传递过程.建立了声子气运动的守恒方程组，分析表明，忽略惯性力时声子气的动量守恒方程就退化为傅里叶导热定律，阐明了傅里叶导热定律的物理本质是声子气驱动力与阻力的平衡方程.当热流密度很大惯性力不能忽略时，傅里叶导热定律不再适用. 关键词： 非傅里叶导热 声子气 声子气质量 状态方程 守恒方程     

Si微/纳米带的制备与热电性能

目前,低维材料是热电领域研究的热点,因为块体材料低维化后热电性能会得到显著的改善.块体材料低维化有很多方法,本文基于半导体微加工和聚焦离子束技术制备了尺寸可控的Si微/纳米带,并通过微悬空结构详细研究了不同尺寸Si微/纳米带的热电性能.实验发现:随着Si微/纳米带宽度的减小,材料的热导率发生了显著的降低,从体硅的148 W/(m·K)降低到17.75 W/(m·K)(800 nm);材料的Seebeck系数低于相应的体Si值.热导率的降低主要来源于声子边界散射的增加,这显著抑制了Si材料中声子的传输行为,从而影响热能的传输和转换.在373 K时,800 nm宽的Si微/纳米带的ZT值约达到了0.056,与体硅相比增大了约6倍.聚焦离子束加工技术为将来Si材料提高热电性能提供了新的制备方案,这种技术也可以应用于其他材料低维化的制备.     

热质的运动与传递-微尺度导热中的热质动能效应

基于热质(热量的当量动质量)的概念,通过建立和分析热质的运动方程得到了反映热质动能变化的稳态导热微分方程,表明Fourier导热定律只有在热质的动能变化相对热质势能变化很小而可以忽略时才成立;在高热流密度和低温的情况下热质的动能变化不可忽略,这种动能效应表现为热流密度和温度梯度不再成线性关系.动能效应也导致Fourier导热定律不能通过热流和温度梯度准确地获得物体的导热系数,本文基于热质运动方程给出了导热系数动能效应的修正式.最后针对高热流密度和低温一维稳态导热进行了分子动力学模拟验证.     

直径及热流对碳纳米管热导率影响的分子动力学研究

本文采用非平衡分子动力学模拟方法,研究了不同直径和热流对碳纳米管(CNT)热导率的影响。研究的CNT长度均为16 nm,直径范围是0.825~1.650 nm.计算结果表明直径对该长度下CNT热导率的影响不大。其原因为碳纳米管的长度小于声子平均自由程,声子在此区间内为纯弹道式传输模式。此外,本文对热导率随热流的变化关系也进行了讨论,由结果发现热流的增大导致冷热区温差的增大,且在某临界下,温差随热流线性增大,之后陡增;相应的热导率在临界以下随热流小幅度增大,之后猝然下降。对于临界之后的区域,原因可能是非傅里叶导热引起的突变。     

空间盘绕型声学超材料的亚波长拓扑谷自旋态

声子晶体的Dirac线性色散关系,使其具有奇特的声拓扑特性,在声波控制领域具有良好的应用前景.目前,声子晶体的拓扑边缘态主要基于Bragg散射所产生的能带结构,难以实现低频声波的受拓扑保护单向边缘传输.本文引入空间盘绕结构,设计了具有C_(3v)对称性的空间盘绕型声学超材料,并研究其布里渊区高对称点(K/K'点)的亚波长Dirac锥形线性色散.接着,通过旋转打破空间盘绕型声学超材料的镜像对称性,使其Dirac简并锥裂开而产生亚波长拓扑相变和亚波长拓扑谷自旋态.最后,采用拓扑相位互逆的声学超材料构造拓扑界面,实现声拓扑谷自旋传输.空间盘绕型声学超材料的亚波长Dirac线性色散与亚波长拓扑谷自旋态突破了声子拓扑绝缘体的几何尺寸限制,为声拓扑稳健传输在低频段的应用提供理论基础.