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     

飞秒脉冲激光加热金属薄膜的理论和实验研究

超短脉冲激光加热可应用于研究材料中载能子之间的超快相互作用,同时也广泛应用于超快激光加工.此前人们提出的双温度模型和抛物一步模型都只能用于描述超短脉冲激光加热金属薄膜后热量传递过程的特定片段.基于双温度模型和傅里叶导热定律,提出普适的理论模型可用于完整描述飞秒激光加热金属薄膜/基底时的整个热量传递过程.同时在300 K温度下,采用背面抽运-表面探测瞬态热反射法实验研究了飞秒脉冲激光加热金属薄膜的热量传递过程,理论预测曲线和实验测量结果符合较好,验证了理论模型的正确性.基于此模型测量得到了金薄膜的电子-声子 关键词： 飞秒脉冲激光 电子-声子耦合 界面热导 瞬态热反射     

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     

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.     

有限温度下二维Heisenberg铁磁系统的声子衰减

在二维正方Heisenberg铁磁系统的基础上建立了磁振子-声子相互作用模型. 利用松原格林函数理论研究了系统的声子衰减，计算了布里渊区的主要对称点线上的声子衰减曲线. 发现在第一布里渊区，在Δ线上，横向声频支声子无衰减，在Z线上，纵向声频支声子无衰减；横向声频支声子衰减比纵向声频支声子衰减至少大一个数量级，并讨论了各项参数的变化对横向声频支声子衰减与纵向声频支声子衰减的影响. 根据声子衰减与声子寿命的关系，声子衰减与声子态密度的关系，可以讨论横向声频支声子与纵向声频支声子的寿命与态密度. 关键词： 磁振子-声子相互作用 横向声频支声子衰减 纵向声频支声子衰减 声子寿命     

基于热子气模型分析纳米梯形板的热整流机理

本文基于热质概念和热-流比拟将固体导热问题转化为热子气的流动问题,研究了纳米梯形板导热的热整流现象。采用Monte Carlo数值模拟揭示了梯形微通道内气流的整流比随通道夹角的变化规律,并以此分析了纳米梯形板导热的热整流规律,与文献中的分子动力学模拟结果符合较好,从而验证了热子气模型的有效性。通过分析压差驱动力与壁面摩擦阻力随梯形通道夹角的变化关系初步揭示了纳米梯形板热整流效应的机制。     

热质的运动与传递——热质和热子气

基于爱因斯坦的狭义相对论的质能关系建立了热质的概念。物体的热能所对应的动质量就是热质。提出了热子的概念和热子气模型。采用气体分子动理论导得了热子气的压力(热质压力)和热子气的状态方程。热子气中的热质压力梯度是热量(热子气)运动的推动力。     

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.     

三元混晶的远红外光谱

采用无序元素孤立位移模型(REI mode),建立了三元混晶AB_1-xC_x晶格动力学的Born-Huang方程,并由此出发讨论了几种三元混晶晶格振动的介电常数和远红外反射谱。理论计算结果表明,这个模型适用于三元混晶的所有情况：(1)单模情况——在整个成分比例区域内(0≤x≤1)有1支横光学声子(TO)和1支纵光学声子(LO);(2)双模情况——在整个成分比例区域内(0≤x≤1),有2支横光学声子和2支纵光学声子;(3)第3种情况——部分区域为单模而另外区域为双模。结果显示,单模晶体只有1个反射带;双模晶体有2个反射带;第3种类型的晶体在部分区域有1个反射带而在另外的区域有2个反射带。该理论模型提供了一个理解三元混晶光学性质的可能的途径,依此为基础可以讨论电子-声子相互作用等其他问题。     

热声发动机的格子气模拟

在传统的9-bit格子气模型中引入了温度区的概念,并应用于热声发动机的模拟研究.利用改进后的格子气模型,模拟了热声谐振管中的自激振荡和二维温度场的分布及温度随时间的演化过程,同时,对热声板叠的长度和在声场中的位置对声幅的影响也进行了数值研究,所得结果对板叠的优化设计是有价值的.通过对模拟和实验结果的比较,验证了热声机格子气模型的有效性,表明格子气方法适用于热声模拟.     

固体氩的晶格热导率的非简谐晶格动力学计算

用一种非简谐晶格动力学方法, 使用相互作用势作为惟一的输入参数, 准确地计算了固体氩的各个声子的频率和弛豫时间. 并将这些结果进一步和玻尔兹曼输运方程相结合, 预测了固体氩从10 K 到80 K 区间的热导率, 并得到了与实验值非常符合的结果. 分析了运用非简谐晶格动力学方法进行数值计算过程中的各个相关的计算参数, 包括布里渊区中倒格子矢量的选取, δ 函数的展宽的选择等对热导率和声子弛豫时间预测结果的影响. 通过对各个声子模式对热导率贡献的分析, 发现随着温度升高, 高频声子对于热导率的贡献率也逐渐变大, 结果和理论预测完全一致. 关键词： 热导率 固体氩 非简谐晶格动力学 声子     

声子水动力学和Ziman区瞬态导热MC模拟研究

热波现象揭示出热量传递过程的波动性,对该现象的研究有助于增进对瞬态导热机理的认识。本文基于Callaway双弛豫时间近似模型,利用散射概率的概念,发展了解决R散射与N散射耦合的声子蒙特卡洛(MC)模拟方法,对处于声子正规散射主导的声子水动力学区域的热波现象和声子Ziman区域的导热现象进行了研究。研究指出,热波的基础是声子传递过程中的动量守恒,并发现,定向的边界条件与Lambert边界条件相比较,可以更为集中地传递能量,而随着散射概率的增加,R散射的影响逐渐增强,声子导热由水动力学导热模式过渡到扩散导热模式。     

热子动力学模拟方法

提出热子动力学模拟方法,以理想气体中的热质粒子即热子为模拟对象,建立热子间的碰撞模型,统计可获得热子气系统的热力学性质,实现对热质的直接模拟.基于该方法,对氩热子气的平衡态系统和非平衡态系统进行模拟计算,模拟计算的热子气的状态方程同理论表达式一致,准确得到了氩气热导率在微纳尺度下的变化规律,验证了热子动力学模拟方法的可行性.     

格子气的声振荡衰减

采用格子气数值方法模拟了共振腔中气体声振荡衰减过程．计算结果表明：格子气中声振荡衰减的规律和经典理论结果一致；衰减系数随频率增加而减小，并且随密度增加而减小．该结果可以用来说明一些大学统计物理教科书中的一个经典例子存在不完善之处．本中采用了一种新的扭转9-bit格子气模型和并行计算方法，这些结果对今后研究格子气中的热声问题有参考价值．     

金属中的热质运动—电子气的热质状态方程

根据热质运动理论可以得到普适导热定律,适用于极高热流密度以及超快速加热的极端导热条件。已有的理论研究得到了声子气状态方程,适用于非金属材料中的普适导热模型。而在金属材料中电子是热量传递的主要载体,声子气状态方程将不再适用。本文推导出热质理论中的电子气状态方程,并得到金属中的普适导热定律,为金属材料中极端条件下非Fourier导热现象的研究提供了理论基础。     

纳米尺度热物理中的声子弱耦合问题

纳米尺度热物理中的诸多新现象、新机制与声子弱耦合存在密切关联.本文介绍了声子弱耦合机制,以及相关的物理现象:低维体系中热导率的尺寸效应、声子双温度现象和范德瓦耳斯堆叠界面的高热阻等.同时概述了近年国内外学者对于这些新颖物理现象的前沿研究成果.对声子弱耦合目前面临的问题,例如理论模型如何加入声子波动性等,进行了简要讨论和展望.     

热质的运动与传递-热子气状态方程

基于相对论原理,提出能量的运动可以产生压强．在热质概念的基础上,针对理想气体,根据分子动理论建立了热子气状态方程,从而得到理想气体分子的热运动动能压强的表达式．基于硬球势能模型通过分子动力学模拟验证了热子气状态方程的正确性．     

声子角动量与手性声子

在经典的物理学理论中,声子广泛地被认为是线极化的、不具有角动量的.最近的理论研究发现,在具有自旋声子相互作用的磁性体系(时间反演对称性破缺)中,声子可以携带非零的角动量,在零温时声子除了具有零点能以外还带有零点角动量;非零的声子角动量将会修正通过爱因斯坦-德哈斯效应测量的回磁比.在非磁性材料中,总的声子角动量为零,但是在空间反演对称性破缺的六角晶格体系中,其倒格子空间的高对称点上声子具有角动量,并具有确定的手性;三重旋转对称操作给予声子量子化的赝角动量,赝角动量的守恒将决定电子谷间散射的选择定则;此外还理论预测了谷声子霍尔效应.     

黄昆对物理学的贡献

黄昆是晶格动力学的奠基人和权威,声子物理学科开拓者。他是多声子光跃迁和多声子无辐射跃迁理论学科的开创者,是“极化激元”概念的最早阐述者。他的姓氏也与晶格振动长波唯象方程、X光漫散射理论联系在一起。在多年离开科研第一线后,黄昆70岁还建立了半导体超晶格光学声子的“黄－朱模型”。本文简要介绍黄昆先生在科学研究领域的几项主要贡献。     

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.