非简谐振动对SiC类石墨烯热输运性质的影响

考虑到原子的非简谐振动,应用固体物理理论和方法,计算了SiC类石墨烯的简谐系数和非简谐系数,得到它的德拜温度、热容量和热导率等随温度的变化规律,探讨了原子非简谐振动对它的热输运性质的影响.结果表明:SiC类石墨烯的德拜温度随温度的升高而在117-126 K之间线性增大,定容比热随温度升高而非线性增大,热导率随温度升高而非线性减小,温度较低时变化较快,而温度较高时变化较慢,并随着温度升高而趋于常量;考虑到非简谐振动后,SiC类石墨烯的德拜温度、定容比热和热导率的值分别大于、小于和大于简谐近似的相应值,温度愈高,其差值愈大,即温度愈高,非简谐效应的影响愈显著;二维平面状的SiC类石墨烯的定容比热和热导率随温度的变化规律,与三维块状SiC晶体总体趋势相同,只是具体数值不同.     

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.     

非简谐振动和形变对ZnSe类石墨烯德拜温度热容量以及极性的影响

应用哈里森(Harrison)键联轨道法和固体物理理论和方法,考虑到原子的高阶非简谐振动,计算了ZnSe类石墨烯化合物的σ键和π键的极性、简谐系数和非简谐系数,得到它的德拜温度和定容热容量随温度变化的解析式以及形变引起的极性参量的改变量,探讨了形变对ZnSe类石墨烯极性的影响,并讨论了原子非简谐振动对化合物热力学性质的影响,结果表明:在300 K到1600 K温度区间内,简谐近似下,ZnSe的德拜温度为常量,热容量随着温度的升高呈非线性增大,其中温度较低时变化较快,温度较高时变化较慢并随着温度的升高而趋于常量.考虑到非简谐项后,德拜温度随着温度升高而增大,几乎为正比关系,而热容量的值比简谐近似的值有所减小,与第一非简谐项的影响相比,第二非简谐项的影响很小.形变对ZnSe类石墨烯的极性有重要的影响,在它的几种形变中,剪切形变对σ键的极性的影响最大,而键长形变对π键的极性的影响最小.温度愈高,非简谐效应愈显著.     

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。     

石墨烯力常数和弹性波波速随温度变化规律研究

在哈里森键联轨道法框架下,考虑到原子的短程相互作用和原子的非简谐振动,建立石墨烯弹性模型并求出原子振动的简谐系数和非简谐系数。在此基础上,确定了石墨烯的力常数和弹性波波速随温度和形变势参量的变化关系式,探讨了原子非简谐振动对它们的影响。结果表明：（1）石墨烯的力常数和弹性波波速均随温度升高而非线性减小,但有不同的变化特征：在C11、C12、C44这三个力常数中,以C12随温度的变化最大,以C44的变化最小;纵波波速随温度的变化要大于横波;（2）石墨烯的三个力常数随形变势参量的变化有不同的特征：C11随η和γ的增大而增大、而C12则随η的增大而减小,随γ的增大而增大;C44随η的增大而增大,而几乎不随γ而变;（3）若不考虑原子振动的非简谐项,则石墨烯的力常数和弹性波波速均为常数。考虑到非简谐项后,不仅它们均随温度的升高而减小,而且,非简谐情况的力常数Cij和弹性波波速vi与简谐近似的值Cij0、vi0的差|Cij－Cij0|、|vi－vi0|均随温度的升高而增大,即温度愈高,非简谐效应愈显著。     

石墨烯力常数和弹性波波速随温度变化规律研究

在哈里森键联轨道法框架下,考虑到原子的短程相互作用和原子的非简谐振动,建立石墨烯弹性模型并求出原子振动的简谐系数和非简谐系数。在此基础上,确定了石墨烯的力常数和弹性波波速随温度和形变势参量的变化关系式,探讨了原子非简谐振动对它们的影响。结果表明：（1）石墨烯的力常数和弹性波波速均随温度升高而非线性减小,但有不同的变化特征：在C11、C12、C44这三个力常数中,以C12随温度的变化最大,以C44的变化最小;纵波波速随温度的变化要大于横波;（2）石墨烯的三个力常数随形变势参量的变化有不同的特征：C11随η和γ的增大而增大、而C12则随η的增大而减小,随γ的增大而增大;C44随η的增大而增大,而几乎不随γ而变;（3）若不考虑原子振动的非简谐项,则石墨烯的力常数和弹性波波速均为常数。考虑到非简谐项后,不仅它们均随温度的升高而减小,而且,非简谐情况的力常数Cij和弹性波波速vi与简谐近似的值Cij0、vi0的差|Cij－Cij0|、|vi－vi0|均随温度的升高而增大,即温度愈高,非简谐效应愈显著。     

外延石墨烯电导率和费米速度随温度变化规律研究

考虑到原子的非简谐振动和电子-声子相互作用,建立了金属基外延石墨烯的物理模型,用固体物理理论和方法,得到金属基外延石墨烯的电导率和费米速度随温度变化的解析式.以碱金属基底为例,探讨了基底材料和非简谐振动对外延石墨烯电导率和费米速度的影响.结果表明:1)零温情况下,碱金属基外延石墨烯的电导率和费米速度均随基底元素原子序数的增大而增大;2)外延石墨烯的电导率随温度升高而减小,其中,温度较低时时变化较快,而温度较高时则变化很慢,费米速度随温度升高而增大,其变化率随基底材料原子序数的增大而增大;3)原子非简谐振动对外延石墨烯的电导率和费米速度有重要的影响,简谐近似下,费米速度为常数,电导率的温度变化率较大;考虑到原子非简谐项后,费米速度随温度升高而增大,电导率的温度变化率减小;温度愈高,原子振动的非简谐效应愈明显.     

石墨烯力常数和弹性波波速随温度变化规律研究

在哈里森键联轨道法框架下,考虑到原子的短程相互作用和原子的非简谐振动,建立石墨烯弹性模型并求出原子振动的简谐系数和非简谐系数.在此基础上,确定了石墨烯的力常数随温度和形变势参量的变化关系式,以及弹性波波速随温度和形变势参量的变化关系式,并探讨了原子非简谐振动对它们的影响.结果表明:(1)石墨烯的力常数和弹性波波速均随温度升高而非线性减小,但有不同的变化特征:在C_(11)、C_(12)、C_(44)这三个力常数中,以C_(12)随温度的变化最大,以C_(44)的变化最小;纵波波速随温度的变化要大于横波;(2)石墨烯的三个力常数随形变势参量的变化有不同的特征:C_(11)随η和γ的增大而增大、而C_(12)则随η的增大而减小,随γ的增大而增大;C_(44)随η的增大而增大,而几乎不随γ而变;(3)若不考虑原子振动的非简谐项,则石墨烯的力常数和弹性波波速均为常数.考虑到非简谐项后,不仅它们均随温度的升高而减小,而且,非简谐情况的力常数C_(ij)和弹性波波速v_i与简谐近似的值C_(ij)~0、v_i~0的差|C_(ij)-C_(ij)~0|、|v_i-v_i~0|均随温度的升高而增大,即温度愈高,非简谐效应愈显著.     

空位缺陷对金属基外延石墨烯态密度和电导率的影响

考虑到空位缺陷的存在和原子非简谐振动,以铜、镍基外延石墨烯为例, 研究了金属基外延石墨烯空位缺陷浓度和态密度以及电导率随温度的变化规律,探讨了空位缺陷的影响。结果表明：(1) 空位缺陷浓度随温度升高而非线性增大,外延石墨烯的空位缺陷浓度及其随温度的变化率均大于石墨烯; (2) 与石墨烯相同,金属基外延石墨烯的态密度变化曲线对电子能量为0为对称,但空位缺陷的存在使态密度在电子能量为零时的值不为零,空位缺陷对导带态密度的影响大于价带;态密度随空位缺陷浓度的增大而线性减小,但减小幅度不大,而温度对石墨烯态密度几乎无影响;（3）金属基外延石墨烯的电导率近似等于电子声子相互作用贡献的电导率,并随温度升高而非线性减小;空位缺陷的存在使电导率有所减小,但只在较高温度下才明显。原子非简谐振动情况的电导率稍大于简谐近似的电导率,温度愈高,两者电导率的差愈大,即非简谐效应愈显著。     

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...     

Temperature-Dependent Debye Temperature and Specific Capacity of Graphene

The shot-range interaction and the atomic anharmonic vibration are both considered,and then the analytic functions of the Debye temperature,the specific capacity and the thermal conductivity of graphene with the temperature are obtained.The influence of anharmonic vibration on these thermal physical properties is also investigated.Some theoretical results are given.If only the harmonic approximation is considered,the Debye temperature of the graphene is unrelated to the temperature.If the anharmonic terms are considered,it increases slowly with the increasing temperature.The molar heat capacity of the graphene increases nonlinearly with the increasing temperature.The mean free path of phonons and the thermal conductivity of the graphene decrease nonlinearly with the increasing temperature.The relative changes of the Debye temperature,the specific heat capacity and the thermal conductivity caused by the anharmonic terms increase with the increasing temperature.The anharmonic effect of atomic vibration becomes more significant under higher temperature.     

Thermal properties of high-k Hf_1-xSi_xO₂

Classical atomistic simulations based on the lattice dynamics theory and the Born core-shell model are performed to systematically study the crystal structure and thermal properties of high-k Hf1-xSixO2 . The coefficients of thermal expansion, specific heat, Grneisen parameters, phonon densities of states and Debye temperatures are calculated at different temperatures and for different Si-doping concentrations. With the increase of the Si-doping concentration, the lattice constant decreases. At the same time, both the coefficient of thermal expansion and the specific heat at a constant volume of Hf1-xSixO2 also decreases. The Grneisen parameter is about 0.95 at temperatures less than 100 K. Compared with Si-doped HfO2 , pure HfO2 has a higher Debye temperature when the temperature is less than 25 K, while it has lower Debye temperature when the temperature is higher than 50 K. Some simulation results fit well with the experimental data. We expect that our results will be helpful for understanding the local lattice structure and thermal properties of Hf1-xSixO2 .     

First principle calculations of thermodynamic properties of pure graphene sheet and graphene sheets with Si,Ge,Fe,and Co impurities

The thermal properties of pure graphene and graphene–impurity(impurity = Fe,Co,Si,and Ge) sheets have been investigated at various pressures(0–7 GPa) and temperatures(0–900 K).Some basic thermodynamic quantities such as bulk modulus,coefficient of volume thermal expansion,heat capacities at constant pressure and constant volume of these sheets as a function of temperature and pressure are discussed.Furthermore,the effect of the impurity density and tensile strain on the thermodynamic properties of these sheets are investigated.All of these calculations are performed based on the density functional theory and full quasi harmonic approximation.     

常压下固态KNO2热力学性质的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论结合准谐德拜模型研究常压下300~725 K间KNO₂立方结构的热力学性质,重点分析常压下定压热容、定容热容、熵、德拜温度、体膨胀系数、平衡体积和体弹模量随温度的变化.结果显示,常压下计算的定压热容随温度的变化与实验数据符合较好,而计算的熵与实验数据相差较大.计算得到KNO₂的平均体膨胀系数约为1.837 8×10^-5K^-1,常温下(300 K)KNO₂的德拜温度约为667.13K.     

Vibrational and thermodynamic properties of metals from a model embedded-atom potential

This work provides the first systematic test of validity of the embedded-atom potentials of Mei et al. [Phys. Rev. B 43 (1991) 4653], via a complete study of the vibrational and thermodynamic properties of isoelectronic transition (Ni, Pd, Pt) and noble (Cu, Ag, Au) metals. Phonon dispersion curves and thermal properties are studied within the quasiharmonic approximation. Results for the temperature-dependence of the lattice constants, coefficients of linear thermal expansion, isothermal and adiabatic bulk moduli, heat capacities at constant volume and constant pressure, Debye temperatures and Grüneisen parameters are presented. Electronic contribution to the specific heat is included explicitly via density-functional calculation. The calculated phonon frequencies for Ag and Cu agree well with the results from inelastic neutron scattering experiments. Despite less satisfactory agreement between calculated and measured phonon frequencies for the other four metals, isothermal and adiabatic bulk moduli and the specific heats of all metals are reproduced reasonably well by the model, while the Grüneisen parameter and Debye temperature are underestimated by about 10%. The coefficient of linear thermal expansion is underestimated with respect to measured values in most cases except for Pt and Au. The results are good for Pt up to 1000 K and for Au up to 500 K.     

石墨烯气凝胶复合相变材料的热物性研究

相变材料利用其相变潜热能力可吸收储存和释放利用热量,同时在相变过程中其温度浮动小,能够实现温度控制从而用于热管理.但是其低热导率和易泄露问题严重制约了其性能.石墨烯气凝胶因其丰富的多孔结构而具有较大的比表面积,可吸附相变材料解决其泄露问题,同时石墨烯的高导热系数可提高相变材料的热导率.这里选取正十八烷为相变材料,制备了不同质量分数的石墨烯气凝胶复合相变材料.测得石墨烯气凝胶含量为13.99 wt%的样品,其导热系数比纯正十八烷高出306.2%,熔化潜热和凝固潜热分别下降了13.8%和10.8%.分子动力学模拟结果表明,石墨烯气凝胶的引入会在一定程度上增强正十八烷分子的有序性和一致性,即在同一温度下复合相变材料中的正十八烷分子比纯正十八烷分子拥有更集中分布的末端距和扭转角,径向分布函数和自扩散系数都相对较低,说明石墨烯材料的引入可以提升正十八烷的导热系数.     

Low temperature specific heat and thermal conductivity of bulk metallic glass (Cu50Zr50)94Al6

The low temperature specific heat and thermal conductivity of (Cu₅₀Zr₅₀)₉₄Al₆ bulk metallic glass have been studied experimentally. A low temperature anomaly in the specific heat is observed in this alloy. It is also found that in addition to Debye oscillators, the localized vibration modes whose vibration density of state has a Gaussian distribution should be considered to explain the low temperature phonon specific heat anomaly. The phonon thermal conductivity dependence on temperature for the sample does not show apparent plateau characteristics as other glass materials do; however, the influence of the resonant scattering from the localized modes on the lattice thermal conductivity is prominent in the bulk metallic glass at low temperatures.     

高压下Ni3Al热力学性质的第一性原理研究

运用第一性原理方法结合准谐Debye-Grüneisen模型研究了高压下Ni3Al的热力学性质,拟合了Ni3Al的状态方程,计算了不同压强下Ni3Al的弹性模量及吉布斯自由能等热力学性质随温度的变化关系. 计算结果表明：采用七阶Birch-Murnaghan方程拟合的晶格常数与实验测量结果吻合较好;零压下弹性模量、吉布斯自由能、焓、熵、热容和体膨胀系数随温度的变化与实验值符合较好;在特定压强下,Ni3Al的弹性模量和吉布斯自由能随温度升高而减小,焓、熵随温度升高而增加;预测的德拜温度约为500K,与实验值符合较好.