多约束纳米结构的声子热导率模型研究

纳米技术的快速发展使得对微纳尺度导热机理的深入研究变得至关重要. 理论和实验都表明, 在纳米尺度下声子热导率将表现出尺寸效应. 基于声子玻尔兹曼方程和修正声子平均自由程的方法得到了多约束纳米结构的声子热导率模型, 可以描述多个几何约束共同作用下热导率的尺寸效应. 不同几何约束对声子输运的限制作用可以分开计算, 总体影响则通过马西森定则进行耦合. 对于热流方向的约束, 采用扩散近似的方法求解声子玻尔兹曼方程; 对于侧面边界约束, 采用修正平均自由程的方法计算边界散射对热导率的影响. 得到的模型能够预测纳米薄膜(法向和面向)及有限长度方形纳米线的热导率随相应特征尺寸的变化. 与蒙特卡罗模拟及硅纳米结构热导率实验值的对比验证了模型的正确性.     

考虑界面散射的金属纳米线热导率修正

理论分析了声子和电子输运对Cu, Ag金属纳米线热导率的贡献. 采用镶嵌原子作用势模型描述纳米尺寸下金属原子间的相互作用, 应用平衡分子动力学方法和Green-Kubo函数模拟了金属纳米线的声子热导率; 采用玻尔兹曼输运理论和Wiedemann-Franz定律计算电子热导率; 并通过散射失配模型和Mayadas-Shatzkes模型引入晶界散射的影响. 在此基础上, 考察分析了纳米线尺度和温度的影响. 研究结果表明: Cu, Ag纳米线热导率的变化规律相似; 电子输运对金属纳米线的导热占主导地位, 而声子热导率的贡献也不容忽视; 晶界散射导致热导率减小, 尤其对电子热导率作用显著; 纳米线总热导率随着温度的升高而降低; 随着截面尺寸减小而减小, 但声子热导率所占份额有所增加. 关键词： 纳米线 热导率 表面散射 晶界散射     

表面低配位原子对声子的散射机制

由于纳米结构具有极高的表体比,声子-表面散射机制对声子的热输运性质起到关键作用.提出了表面低配位原子对声子的散射机制,并且结合量子微扰理论与键序理论推导出该机制的散射率.由于散射率正比于材料的表体比,这种散射机制对声子输运的重要性随着纳米结构尺寸的减小而增大.散射率正比于声子频率的4次方,所以这种散射机制对高频声子的作用远远强于对低频声子的作用.基于声子玻尔兹曼输运方程,计算了硅纳米薄膜和硅纳米线的热导率,发现本文模型比传统的声子-边界散射模型更接近实验值.此发现不仅有助于理解声子-表面散射的物理机制,也有助于应用声子表面工程调控纳米结构的热输运性质.     

空位缺陷对碳纳米管/石墨烯纳米带导热的影响

本文利用分子动力学方法研究空位缺陷对碳纳米管和石墨烯纳米带导热特性的影响,并分析声子态密度、声子模式参与率探究导热机理。研究表明:空位缺陷引起碳管和纳米带热导率降低,在200～600 K的温度范围内,碳管和纳米带热导率的下降幅度分别可达47.57%、38.84%.碳管和纳米带热导率的降低归因于声子态密度衰减且声子模式参与率较小.由于边界散射作用削弱了缺陷对纳米带热导率的影响,纳米带热导率的降低幅度低于碳管.     

Ⅲ-Ⅴ族硼基化合物半导体反常热导率机理

采用基于玻尔兹曼输运方程的第一性原理计算方法深入研究了硼基Ⅲ-Ⅴ化合物的热导率性质,与Ⅳ族和Ⅲ-Ⅴ族半导体进行对比,发现砷化硼的高热导率主要来源于硼基Ⅲ-Ⅴ化合物中声学支和光学支之间存在一个很大的频率带隙,导致两个声学声子的能量要小于一个光学声子的能量,无法满足三声子散射的能量守恒要求,严重遏制了三声子散射几率.金刚石的高热导率主要来自其拥有极大的声学声子群速度.磷化硼虽然也拥有较大的声学声子群速度,但是其频率带隙比较小,无法有效遏制三声子散射,所以磷化硼的热导率小于砷化硼;尽管锑化硼的频率带隙与砷化硼相当,但是由于其拥有较小的声学声子群速度和较大的耦合矩阵元,导致锑化硼的热导率低于砷化硼.该研究为设计高热导率半导体材料提供了新的认识.     

基于第一性原理分子动力学的填充方钴矿热输运性质及微观过程的研究

对于重要热电材料之一的填充方钴矿材料,其低热导率的成因存在两种观点:1)填充原子的局域振动引起共振散射降低热导率;2)填充原子的引入加强了三声子倒逆过程来降低热导率.本文采用含有限温度效应的第一性原理分子动力学方法模拟了YbFe_4Sb_(12)的动力学过程,并通过温度相关有效势场方法得到了充分包含非线性作用的等效非谐力常数,研究了微扰近似下的声子输运性质.结果显示,在填充原子振动全部参与三声子倒逆散射过程的近似下,相比于纯方钴矿体系,声子寿命大幅地降低,填充原子的振动是热阻的重要来源.但即便如此,理论计算结果与实验的晶格热导率之间仍存在明显偏离.不同填充原子振动之间的较弱关联性质也揭示其明显偏离经典的声子图像,表现为一种强烈的局域特征振动模式,并以此散射其他晶格声子,因而对热阻的贡献也超出了传统三声子的理论框架.通过将填充原子Yb振动模式的寿命进行共振散射形式的修正,可以使晶格热导率与实验结果符合较好.以上结果表明,YbFe_4Sb_(12)的低晶格热导率是由声子间相互作用以及具有局域振动特征的共振散射两方面因素导致.     

基于量子修正的石墨烯纳米带热导率分子动力学表征方法

本文提出了基于量子修正的非平衡态分子动力学模型,可用于石墨烯纳米带热导率的表征.利用该模型对不同温度下,不同手性及宽度的石墨烯纳米带热导率进行了研究,结果发现:相较于经典分子动力学模型给出的热导率随温度升高而单调下降的结论,在低于Debye温度的情况下,量子修正模型的计算结果出现了反常现象.本文研究还发现,石墨烯纳米带的热导率呈现出明显的边缘效应及尺度效应:锯齿型石墨烯纳米带的热导率明显高于扶手椅型石墨烯纳米带;全温段的热导率及热导率在低温段随温度变化的斜率均随宽度的增加而增大.最后,文章用Boltzmann声子散射理论对低温段的温度效应及尺度效应进行了阐释,其理论分析结果说明文章所建模型适合在全温段范围内对不同宽度和不同手性的热导率进行精确计算,可为石墨烯纳米带在传热散热领域的应用提供理论计算和分析依据.     

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     

金属纳米颗粒的热导率

本文使用统计模拟方法对金属纳米颗粒的电子平均自由程进行了计算,并考察了纳米颗粒的晶格比热和声子平均群速度,最后应用动力学理论对纳米颗粒的电子热导率和声子热导率分别进行了求解.研究结果表明:具有相同特征尺寸的方形、球形纳米颗粒的无量纲电子(或声子)平均自由程比较接近.金属纳米颗粒的电子热导率远大于声子热导率;电子、声子热导率随着直径减小呈现降低趋势,而电子热导率的颗粒尺度依赖性比声子热导率更为明显;随着颗粒直径进一步减小,声子热导率与电子热导率趋于同一数量级.当纳米颗粒特征尺寸大于4倍块材电子(或声子)平均自由程,其电子(或声子)热导率的颗粒尺度依赖性将减弱.     

基于分子动力学的石墨炔纳米带空位缺陷的导热特性

空位缺陷石墨炔比完整石墨炔更贴近实际材料,而空位缺陷的多样性可导致更丰富的导热特性,因此模拟各种空位缺陷对热导率的影响显得尤为重要.采用非平衡分子动力学方法,通过在纳米带长度方向上施加周期性边界条件,基于AIREBO(adaptive intermolecular reactive empirical bond order)势函数描述碳-碳原子间的相互作用,模拟了300 K时单层石墨炔纳米带乙炔链上单空位缺陷和双空位缺陷以及苯环上单空位缺陷对其热导率的影响,利用Fourier定律计算热导率.模拟结果表明,对于几十纳米尺度范围内的石墨炔纳米带热导率,1)由于声子的散射集中和声子倒逆过程增强,与完美无缺陷的石墨炔纳米带相比,空位缺陷会导致石墨炔纳米带热导率的下降;2)由于声子态密度匹配程度高低的不同,相比于乙炔链上的空位缺陷,苯环的空位缺陷对石墨炔纳米带热导率影响更大,乙炔链上空位缺陷数量对石墨炔纳米带热导率的影响明显;3)由于尺寸效应问题,随着长度增加,石墨炔纳米带热导率会相应增大.本文的研究可为在一定尺度下进行石墨炔纳米带热导率的调控问题提供参考.     

多空穴错位分布对石墨纳米带中热输运的影响

利用非平衡格林函数方法研究了石墨纳米带中三空穴错位分布对热输运性质的影响.研究结果发现:三空穴竖直并排结构对低频声子的散射较小,导致低温区域三空穴竖直并排时热导最大,而在高频区域,三空穴竖直并排结构对高频声子的散射较大,导致较高温度区域三空穴竖直并排时热导最小;三空穴的相对错位分布仅能较大幅度地调节面内声学模高频声子的透射概率,而三空穴的相对错位分布能较大幅度地调节垂直振动膜高频声子和低频声子的透射概率,导致三空穴的相对错位分布不仅能大幅调节面内声学模和垂直振动模的高温热导,也能大幅调节垂直振动模的低温热导.研究结果阐明了空穴位置不同的石墨纳米带的热导特性,为设计基于石墨纳米带的热输运量子器件提供了有效的理论依据.     

Effects of contact shape on ballistic phonon transport in semiconductor nanowires

We study the effects of contact shape on ballistic phonon transport in semiconductor nanowires at low temperatures using an approximative scalar model of continuum elasticity. Five different contacts connected to two semiconductor nanowires with different transverse widths are discussed. Numerical results show that the contact shape acts as an ‘acoustic impedance adaptor’, playing a crucial role on the ballistic phonon transmission and thermal conductance. The phonon coupling in the contacts with certain length facilitates ballistic phonon transmission compared to the abrupt interface, in which the phonon scattering is the strongest. It is found that the more the contact is abrupt, the smaller the thermal conductance is. The catenoidal contact rather than the abrupt interface is also the competitive candidate to obtain bigger thermal conductance. These results indicate that choosing an appropriate contact shape is one of the most critical factors to accurately measure the thermal conductance with a very high precision and reliability in different temperature ranges at low temperatures.     

固-固接触热传导的声子传递系数

声子传递系数是影响低温接触界面热传导的重要因素,文中对中间低温(20K~200K)接触传导模型的声子传递系数进行了讨论,分析了接触界面温差、弹性镜面传递和散射传递下的声子传递系数;还讨论了热流方向对声子传递系数的影响;指出了声失配理论预测值与实验值间存在差别的可能原因。该讨论对分析接触热传导有一定意义。     

异侧非重叠三封闭端量子波导中的声子输运与热导

研究了异侧非重叠三封闭端量子波导中的声学声子传输和热导率性质。结果表明：由于激发模的产生,总传输系数在整数约化频率的时发生跳跃;各个激发模所产生的温度条件不一样,温度越高,被激发的模越多,并且高阶模对热导的影响较小;声子传输和热导性质与不连续结构的形状和位置有直接的关系,声子传输和热导性质对量子线的温度环境相当敏感。     

多通道石墨纳米带中弹性声学声子输运和热导特性

采用非平衡格林函数方法, 在保持总的能量输出通道中石墨链数不变的条件下, 研究并比较了并列的石墨纳米带通道中弹性声学声子输运和热导特性. 结果表明, 能量输出通道的增加能降低每个能量输出通道的热导; 与能量输入热库最近的能量输出通道热导最大, 最远的能量输出通道热导最小; 中间能量输出通道的热导性质与并列的各输出通道的结构参数密切相关, 最近和最远的能量输出通道的热导性质仅与各自能量输出通道的结构参数有关; 粗糙边缘结构能有效调节各通道的热导; 总的热导性质与能量输出通道石墨链数、能量输出通道数以及边缘结构粗糙程度密切相关.     

Low-Temperature Thermal Conductance in Superlattice Nanowire with Structural Defect

Using the scattering-matrix cascading method, we investigate the effect of structural defect on the acoustic phonon transmission and thermal conductance in the superlattice nanowire at low temperatures. In the present system, the phonon transmissions exhibit quite complex oscillatory behaviour. It is found that a lateral defect in an otherwise periodic structure significantly decrease the thermal conductance and completely washes away the transmission quantization. However, the appreciable transmission quantization survives in the presence of a longitudinal defect whereas a good quantization plateau of thermal conductance emerges below the universal level in a wide temperature range with the lateral defect.     

Phonon transmission and thermal conductance in one-dimensional system with on-site potential disorder

The role of on-site potential disorder on phonon transmission and thermal conductance of one-dimensional system is investigated. We found that the on-site potential disorder can lead to the localization of phonons, and has great effect on the phonon transmission and thermal conductance of the system. As on-site potential disorder W increases, the transmission coefficients decrease, and approach zero at the band edges. Corresponding, the thermal conductance decreases drastically, and the curves for thermal conductance exhibit a series of steps and plateaus. Meanwhile, when the on-site potential disorder W is strong enough, the thermal conductance decreases dramatically with the increase of system size N. We also found that the efficiency of reducing thermal conductance by increasing the on-site potential disorder strength is much better than that by increasing the on-site potential?s amplitude.     

含半圆弧形腔的量子波导中声学声子输运和热导特性

采用散射矩阵方法,研究了在应力自由和硬壁两种典型的边界条件下含半圆弧形腔的量子波导中声学声子输运和热导性质.结果表明在两种边界条件下声子透射谱和热导有着不同的特征.在应力自由边界条件下,能观察到普适的量子化热导现象,当结构为一理想的量子线时,在低温区域有一个量子化平台出现,而当半圆弧形结构存在时,非均匀横向宽度引发的弹性散射使得量子化平台被破坏;在硬壁边界条件下,不可能观察到量子化热导现象,热导随温度的增加单调上升;计算结果表明还可以通过调节半圆弧形结构的半径来调控声子的输运概率和热导. 关键词： 声学声子输运 热导 量子体系     

Phonon Transmission and Thermal Conductance in Fibonacci Wire at Low Temperature

We investigate the phonon transmission and thermal conductance in a general Fibonacci quasicrystal by the model of lattice dynamics and the technique of transfer matrix. It is found that quasiperiodic distribution of masses may greatly destroy the phonon transport at both low and high frequencies and thus may affect the thermal conductance. The thermal conductance increases with temperature at low temperatures and displays saturation with further increase of the temperature. Such saturation behaviour is preserved even when the mass ratio of atoms in the Fibonacci chain is changed.     

Phonon thermal conductance of disordered graphene strips with armchair edges

Based on the model of lattice dynamics together with the transfer matrix technique, we investigate the thermal conductances of phonons in quasi-one-dimensional disordered graphene strips with armchair edges using Landauer formalism for thermal transport. It is found that the contributions to thermal conductance from the phonon transport near von Hove singularities is significantly suppressed by the presence of disorder, on the contrary to the effect of disorder on phonon modes in other frequency regions. Besides the magnitude, for different widths of the strips, the thermal conductance also shows different temperature dependence. At low temperatures, the thermal conductance displays quantized features of both pure and disordered graphene strips implying that the transmission of phonon modes at low frequencies are almost unaffected by the disorder.