硅纳米晶体薄膜热膨胀性质的分子动力学研究

基于Stillinger-Weber势对硅纳米晶体薄膜的热膨胀性质进行了分子动力学模拟.研究表明,硅纳米晶体薄膜表面层原子的二聚现象引起薄膜收缩,而原子之间的非和谐势能引起薄膜膨胀;在约400K以下的低温段,由于硅纳米晶体薄膜表面层原子发生二聚的原子数目随温度的升高而明显增多,而原子间非和谐势能很小,故此时二聚主导热膨胀性质,热膨胀系数为负;在高温段(约400K以上),由于发生二聚的原子数目随温度升高不再显著地增加并渐趋于稳定,而原子间非和谐势能逐渐显著并主导热膨胀性质,故热膨胀系数为正.     

基于原子间相互作用的低温硅单晶负热膨胀机制的研究

运用晶格热膨胀的微扰理论,推导了硅晶体的热膨胀系数与原子间两体作用和三体作用的三阶力常数之间的关系公式,在此基础上对热膨胀系数的实验数据进行拟合,计算了硅晶体内的原子间两体和三体的三阶力常数,发现三体作用的三阶力常数为正数,是硅晶体在低温下具有负热膨胀性质的根本原因。计算与分析的结果表明,运用Stillinger-Weber模型得到的三阶力常数为负数,据此不可能计算得到低温下的负热膨胀系数,因此应该对该模型进行修正。     

基于原子间相互作用的低温硅单晶负热膨胀机制的研究

运用晶格热膨胀的微扰理论,推导了硅晶体的热膨胀系数与原子间两体作用和三体作用的三阶力常数之间的关系公式,在此基础上对热膨胀系数的实验数据进行拟合,计算了硅晶体内的原子间两体和三体的三阶力常数,发现三体作用的三阶力常数为正数,是硅晶体在低温下具有负热膨胀性质的根本原因。计算与分析的结果表明,运用Stillinger-Weber模型得到的三阶力常数为负数,据此不可能计算得到低温下的负热膨胀系数,因此应该对该模型进行修正。     

传感器电解质材料热膨胀性能和热稳定性变化规律研究

以ZrO2固体电解质材料为例,研究氧传感器电解质材料原子振动特点和热膨胀系数及其热稳定性随温度和时间的变化规律,探讨原子非简谐振动的影响。结果表明：原子振动的频率、阻尼系数,在简谐近似下为常数,在考虑到非简谐效应后随温度升高而增大;原子平均位移和热膨胀系数在简谐近似下为零,在考虑到非简谐效应后随温度升高而增大,随的时间的增长而减小;热膨胀性能稳定性温度系数随温度的升高而减小,随时间的增长而增大,即使用时间越长,材料的热膨胀性能稳定性越低;温度越高,热膨胀性能越稳定;非简谐情况下的原子振动的频率、阻尼系数和热膨胀系数与简谐近似下的差值随温度的升高而增大,即温度越高,非简谐效应越显著。     

非简谐振动对SiC的热膨胀系数数和介电性能的影响

利用抛物型电子能谱模型,考虑到原子的非简谐振动,求出了SiC中原子振动的简谐系数与非简谐系数,用固体物理理论和方法,得到了SiC的热膨胀系数和格林乃森参量以及介电常数随温度变化的解析式,探讨了原子非简谐振动对的影响。结果表明：的格林乃森参量和热膨胀系数均随温度升高而非线性增大,而介电常数随温度升高而非线性减小;原子振动的非简谐项（特别是第二非简谐项）对的热膨胀等热学性质和介电性能有重要影响,温度愈高,非简谐振动项的影响愈大。     

非简谐振动对SiC的热膨胀系数和介电性能的影响

利用抛物型电子能谱模型,考虑到原子的非简谐振动,求出了SiC中原子振动的简谐系数与非简谐系数,用固体物理理论和方法,得到了SiC的热膨胀系数和格林乃森参量以及介电常数随温度变化的解析式,探讨了原子非简谐振动的影响.结果表明:SiC的格林乃森参量和热膨胀系数均随温度升高而非线性增大,而介电常数随温度升高而非线性减小;原子振动的非简谐项(特别是第二非简谐项)对SiC的热膨胀等热学性质和介电性能有重要影响,温度愈高,非简谐振动项的影响愈大.     

纳米晶体线的热膨胀性质

将原子间相互作用势的非谐项作为微扰,运用声子数表象中的晶格原子振动位移和晶格振动哈密顿公式,推导了纳米晶体线的热膨胀系数公式,并进行了数值计算.研究结果表明,纳米晶体线越细,其热膨胀系数越大.     

Si(001)表面层及近表面层原子行为的分子动力学模拟研究

用分子动力学方法模拟了Si(001)表面。提出利用二维偶对相关函数分析方法研究表面层和近表面层原于的行为。硅原子间的相互作用势采用含有两体和三体相互作用的Stilli-anger-Weber势。模拟温度为300K,模拟结果和二维偶对相关函数的分析表明:表面层的大部分原子发生成键,键长为0.24nm;近表面层的其它几层原子仍保持原平面晶格构型。另外,对表面层和近表面层原子的弛豫问题也进行了模拟研究。 关键词：     

BaHfO3纳米薄膜电子结构、光学和弹性性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,在局域密度近似（LDA）下研究了厚度为0.626～2.711nm (100)面BaHfO3薄膜的电子结构、光学和弹性性质．电子结构和光学性质计算结果表明：以BaO为表面层原子的BaHfO3纳米薄膜均为直接带隙半导体材料,带隙随薄膜厚度减小而逐渐减小,表现出明显的量子尺寸效应,此时薄膜的光学吸收边发生红移,吸收带出现窄化现象．以HfO2作为表面层原子的BaHfO3薄膜则属于间接带隙半导体材料,且带隙随薄膜厚度减小而微弱增加．弹性性质计算结果表明：体弹模量、剪切模量和杨氏模量等表征材料硬度的力学参数均随BaHfO3纳米薄膜厚度减小而显著减小,呈现尺寸效应．电荷密度分布分析揭示了薄膜厚度改变了BaHfO3纳米薄膜的价健特性,这是材料硬度改变的内在原因．该研究结果为BaHfO3纳米薄膜材料的设计与应用提供了理论依据．     

纳米单原子链的热膨胀性质

根据戴逊方程,推导了纳米单原子链的位移-位移Green函数,并得到了声子占有数表象中原子位移与哈密顿的表达式.在这些结果的基础上,应用微扰理论,推导了热膨胀和热膨胀系数的计算公式,并进行了数值计算.研究结果表明,在有限温度下,纳米单原子链中靠近两端的原子间距的热膨胀大于内部的原子间距的热膨胀,而原子链中靠近两端的原子间距的热膨胀系数小于内部的原子间距热膨胀系数.原子链的长度越短,则所有原子间距热膨胀的平均值越大,而原子链的热膨胀系数越小.     

石墨烯低温热膨胀和声子弛豫时间随温度的变化规律

考虑到原子非简谐振动和电子-声子相互作用,用固体物理理论和方法研究了石墨烯格林艾森参量和低温热膨胀系数以及声子弛豫时间随温度的变化规律,探讨了原子非简谐振动项对它们的影响.结果表明:1)在低于室温的温度范围内,石墨烯的热膨胀系数为负值,随着温度的升高,其热膨胀系数的绝对值单调增加,室温热膨胀系数为-3.64×10~(-6)K~(-1);2)简谐近似下的格林艾森参量为零.考虑到非简谐项后,格林艾森参量在1.40-1.42之间并随温度升高而缓慢增大,几乎成线性关系,第二非简谐项对格林艾森参量的影响小于第一非简谐项;3)石墨烯声子弛豫时间随着温度的升高而减小,其中,温度很低(T10 K)时变化很快,此后变化很慢,当温度不太低(T300 K)时,声子弛豫时间与温度几乎成反比关系.     

Thermal Expansion and Deformation of Graphene

Taking into consideration short-atomic-range interactions and anharmonic effects,we calculate the thermal expansion coefficients,Gruneisen parameters,the elastic modulus of graphene varying with temperature and the phonon frequency.The anharmonic effects associated with the graphene deformation are also discussed.The results show that the value of thermal expansion coefficient is negative in the moderate temperature range,and it becomes positive when the temperature grows to be higher than a certain value.The change rate of elastic modulus with respect to temperature and pressure are calculated,and phonon frequencies are estimated.In the process of graphene thermal expansion,it is accompanied with the change of bond length and the rotation around the axis normal to the plane.Our results indicate that the effects due to the bond change are more significant than that of the rotation.We also show that if anharmonic effects are ignored,the thermal expansion coefficient and the Gruneisen parameters are zero,and the elastic modulus and the phonon frequency are constant.If anharmonic effects are considered up to the second term,these values will vary with temperature,and become closer to the experimental value.The higher the temperature is,the more significant the anharmonic effects become.     

硅基板和铜基板垂直结构GaN基LED变温变电流发光性能的研究

本文将硅(Si)衬底上外延生长的氮化镓(GaN)基发光二极管(LED)薄膜剥离转移到新的硅基板和紫铜基板上,并获得了垂直结构的LED芯片,对其变温变电流电致发光(EL)特性进行了研究. 结果表明:当环境温度不变时,在13 K低温状态下铜基板芯片的EL波长始终大于硅基板芯片约6 nm,在300 K 状态下随着驱动电流的加大铜基板芯片的EL波长会由大于硅基板芯片3 nm左右而逐渐变为与硅基板芯片重合;当驱动电流不变时,环境温度由13 K升高到320 K,两种基板芯片的EL波长随温度升高呈现S形变化并且波谱逐渐趋于重合;在100 K以下温度时铜基板芯片的Droop效应比硅基板芯片明显,在100 K 以上温度时硅基板芯片的Droop效应比铜基板芯片明显. 可能是由于两种芯片的基板具有不同的热膨胀系数和热导率导致了其变温变电流的EL特性不同. 关键词： GaN 热膨胀系数 内量子效率 热导率     

Structural relationship between negative thermal expansion and quartic anharmonicity of cubic ScF3

Cubic scandium trifluoride (ScF3) has a large negative thermal expansion over a wide range of temperatures. Inelastic neutron scattering experiments were performed to study the temperature dependence of the lattice dynamics of ScF3 from 7 to 750 K. The measured phonon densities of states show a large anharmonic contribution with a thermal stiffening of modes around 25 meV. Phonon calculations with first-principles methods identified the individual modes in the densities of states, and frozen phonon calculations showed that some of the modes with motions of F atoms transverse to their bond direction behave as quantum quartic oscillators. The quartic potential originates from harmonic interatomic forces in the DO9 structure of ScF3, and accounts for phonon stiffening with the temperature and a significant part of the negative thermal expansion.     

非简谐振动对石墨烯量子电容和热稳定性的影响

采用固体物理理论和方法,研究了单层石墨烯的量子电容和它的温度稳定性随温度和电压的变化规律,探讨原子非简谐振动对它的影响.结果表明:(1)当电压一定时,单层石墨烯的量子电容和温度稳定性系数均随温度升高发生非线性变化,电压小于2.3 V时,量子电容随温度升高而增大,温度稳定性系数随温度升高由缓慢变化到很快增大,电压高于2.3 V时,量子电容随温度升高先增大后减小,而其温度稳定性系数随温度升高由缓慢变化到很快减小.温度一定时,量子电容只在电压值为0.4～2.8 V范围内才变化较小,而电压值大于2.8 V时,量子电容迅速减小并趋于0;(2)与简谐近似相比,非简谐项会使石墨烯量子电容有所增大,且温度愈高,两者的差愈大,非简谐效应愈显著,温度为300 K时,非简谐的量子电容要比简谐近似的值大0.33%,而温度为1 000 K时,差值增大到1.47%;(3)电压在1.5～1.8 V之间,而温度低于800 K时,石墨烯量子电容的温度稳定性系数最小且不随温度而变,储能性能的温度稳定性最好;(4)非简谐项会使它的量子电容热稳定性系数比简谐近似的值增大,且增大的情况与温度有关,当温度为400 K时量子电容热...     

带孔硅纳米薄膜热整流及声子散射特性研究

本文基于非平衡的分子动力学模拟方法计算了带有三角形孔的硅纳米薄膜的界面热阻特性,结果表明300-1100 K范围内随着热流方向的改变,在含有三角形孔的硅纳米薄膜中存在热整流效应,热整流系数达28％.同时借助于声子波包动力学模拟方法,获得了不同频率下的纵波声子在三角形孔处的散射特性,结果表明纵波声子在散射过程中产生了横波声子,并且从三角形底部向顶部入射的声子能量透射系数比反向时平均低22％.不对称结构引起的声子透射率的差异是引起热整流效应的主要因素.