不同周期结构硅锗超晶格导热性能研究

构造了均匀、梯度、随机3种不同周期分布的硅/锗(Si/Ge)超晶格结构.采用非平衡分子动力学(NEMD)方法模拟了硅/锗超晶格在3种不同周期分布下的热导率,并研究了样本总长度和温度对热导率的影响.模拟结果表明:梯度和随机周期Si/Ge超晶格的热导率明显低于均匀周期结构超晶格;在不同的周期结构下,声子分别以波动和粒子性质输运为主;均匀周期超晶格热导率具有显著的尺寸效应和温度效应,而梯度、随机周期Si/Ge超晶格的热导率对样本总长度和温度的依赖性较小.     

含有倾斜界面硅/锗超晶格的导热性能

采用非平衡分子动力学(NEMD)方法模拟含有倾斜界面的硅/锗(Si/Ge)超晶格在不同倾斜角、不同周期长度、不同样本长度和不同温度下的导热性能.模拟结果表明, Si/Ge超晶格的热导率随着界面倾斜角的增加而非单调变化.当周期长度为4—8原子层时,界面倾斜角为45°的热导率比其他界面倾斜角时热导率增大了一个数量级,且热导率随样本长度的增加而增加,随温度的增加而减小.然而当周期长度为20原子层时,由于声子局域化的存在,热导率对样本长度和温度的依赖性都较弱.     

表面粗糙度对薄膜面向热导率的影响研究

通过求解声子辐射输运方程(EPRT)计算得到了薄膜的面向晶格热导率.在薄膜界面采用与声子波长相关的镜反射率模型,考虑了薄膜的厚度、温度和表面粗糙度等对其热导率的影响.结果表明,界面粗糙度对薄膜热导率的影响很大.减小界面粗糙度,会使得薄膜热导率大大增加.另外,薄膜厚度减小使得热导率峰值对应的温度增加.     

超晶格和层状结构传热特性的连续模型及其在能源材料设计中的应用

层状材料和超晶格结构为提高热电材料和隔热涂层提供了新的设计思路, 并成为最近的研究热点. 应用连续波动方程和线性阻尼理论, 本文研究了此类材料中的声子输运特性. 给出了在整个相空间里的界面调制和声子局域化效应, 得出了超晶格材料热导率的上极限和下极限; 同时, 分析表明界面锐化加强了声子带隙, 使得部分模态的声子局域化加强. 最后, 通过对石墨烯/氮化硼超晶格(G/hBN)和硅/锗超晶格的分子模拟(Si/Ge), 验证了该理论模型. 该方法适用于所有的层状材料和超晶格结构, 对此类新能源材料的设计提供了普适的设计思路.     

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.     

SiGe／Si应变层超晶格的结构和光散射特性

ＳｉＧｅ／Ｓｉ应变层超晶格是一种亚稳态结构。在高温下，原子互扩散导致异质界面展宽；同时，由晶格失配引起的应变会发生弛豫。这两种现象都将导致超晶格结构的变化。本文证明，利用拉曼散射光谱可以定量地反映这一变化。（１）我们首先把界面陡峭超晶格中折叠纵声学（ＦＬＡ）声子的色散关系和散射强度的理论计算推广到界面展宽的情形。然后，我们分析了测量得到的在不同温度下退火的超晶格样品的ＦＬＡ声子散射谱。通过测量谱和计算结果的比较，得到了不同退火温度下异质界面的展宽或扩散长度。我们也从理论上证实并且在实验上观察到：ＬＦＡ声子在超晶格布里渊区边界的能带分裂随异质界面的展宽而减小。（２）我们定量地分析了ＳｉＧｅ／Ｓｉ超晶格中光学声子的散射谱随退火温度的变化。考虑到原子互扩散引起的合金组份变化以及应变弛豫两大因素，我们发现，对上述合金型ＳｉＧｅ／Ｓｉ超晶格，在８００℃下退火１０分钟，超晶格中由于原子互扩散引起的界面展宽是非常严重的。相比之下，晶格弛豫的大小与材料的生长条件有关。对较低温度（４００℃）下生长的超晶格，晶格弛豫量并不大，仅为１６％。这一结果也得到了Ｘ－射线衍射谱的支持。（３）我们讨论了与ＳｉＧｅ／Ｓｉ应变层超晶格的结     

近周期超晶格中的声学声子及其光散射特性

利用转移矩阵方法计算了近周期超晶格体系（包括有限周期数的超晶格、耦合超晶格、层厚起伏和层厚渐变的超晶格）中声学声子的喇曼散射谱．结果表明上述近周期超晶格的光散射特性与理想严格周期的体系和完全无序的体系都不相同，呈现出许多独特的性质．对有限周期数的超晶格，由于边界的存在，喇曼谱中除了理想超晶格中存在的折叠声学声子峰（主峰）外，还会出现一系列等间距分布的卫星峰．对耦合超晶格体系，理想超晶格中存在的主峰将出现分裂．对层厚起伏变化的超晶格，主峰呈现非对称展宽，展宽主要出现在高波数端．计算结果和实验测得的谱线作了比 关键词：     

第一原理研究界面弛豫对InAs/GaSb超晶格界面结构、能带结构和光学性质的影响

通过广义梯度近似的第一原理全电子相对论计算, 研究了不同界面类型InAs/GaSb超晶格的界面结构、电子和光吸收特性. 由于四原子界面的复杂性和低对称性, 通过对InAs/GaSb超晶格进行电子总能量和应力最小化来确定弛豫界面的结构参数. 计算了InSb, GaAs型界面和非特殊界面(二者交替)超晶格的能带结构和光吸收谱, 考察了超晶格界面层原子发生弛豫的影响.为了证实能带结构的计算结果, 用局域密度近似和Hartree-Fock泛函的平面波方法进行了计算. 对不同界面类型InAs/GaSb超晶格的能带结构计算结果进行了比较, 发现界面Sb原子的化学键和离子性对InAs/GaSb超晶格的界面结构、 能带结构和光学特性起着至关重要的作用.     

Al原子在Pb基底上的沉积过程研究

利用分子动力学方法模拟了Al原子在Pb基底上的沉积过程. 对Al原子在Pb基底(001)面上沉积的形态与Pb原子在Al(001)基底上沉积的形态做了比较. 由于界面间势垒的不同, 两个体系界面间的形态有明显的差异. 分析了基底温度、基底晶面指向、沉积原子的入射动能对界面间原子混合的影响. 模拟结果显示: 随着基底温度升高, 基底原子的可移动性大大增加, 与沉积原子发生较大程度的混合; 入射能的改变对界面间原子的混合影响很小; 基底表面取不同的晶格指向时, 基底与沉积原子间的混合行为也有明显的不同. 利用径向分布函数分析了沉积原子的入射能对薄膜中原子排列有序性的影响. 较高入射能对应更有序的薄膜结构; 由径向分布函数的结构可以推测Al原子在Pb(001)基底表面沉积时界面间可能有金属间化合物生成. 关键词： Pb/Al体系 沉积过程 分子动力学 入射能     

RyMxC04-xSb12化合物的晶格热导率

系统地研究了离子半径不同的Ba,Ce,Y作为填充原子及Fe,M作为置换原子对填充化合物RyMxCo4-xSb12晶格热导率的影响规律.结果表明在skutterudite结构的Sb组成的20面体空洞中,Ba,Ce,Y的填充原子能显著降低其晶格热导率,且晶格热导率降低幅度按Ba,Ce,Y离子半径减小的顺序而增大.Sb组成的20面体空洞部分被Ba,Ce填充时,晶格热导率最小,填充原子的扰动对声子的散射作用最强.在Co位置上Fe和M的置换,能显著地降低RyMxC2o4-xSb12化合物的晶格热导率,与Fe比,M对晶格热导率的影响更强.     

两耦合半无限超晶格中的局域界面声子-极化激元

采用转移矩阵方法，研究了含结构缺陷层的两耦合半无限超晶格(GaAs/AlAs)中的局域界面声子-极化激元模性质. 研究发现，含不同介电特性的缺陷超晶格结构中的局域界面声子-极化激元模在剩余射线区［ω_TO, ω_LO］的分布情况与数量存在不同，而且反对称模表现出不同的特征. 文中着重研究了缺陷层介电常数与角频率无关的缺陷超晶格，发现该结构中的局域界面声子-极化激元模对组分层的排列顺序与厚度、缺陷层的厚度以及横向波数有着不同程度的依赖.     

辐照损伤对钨晶格热导率影响的分子动力学研究

钨是最具应用前景的面向等离子体候选材料,但核聚变堆内强烈的辐照环境会使钨的近表面区域产生辐照损伤,进而影响其关键的导热性能.本文构建了包含辐照损伤相关缺陷的晶体钨模型,并采用非平衡分子动力学的方法定量研究了这些缺陷对钨导热性能的影响.结果表明,随中子辐射能量的增加,晶体内部留下的Frenkel缺陷数目增多进而导致钨的晶格热导率降低;间隙原子比空位更易于向晶界偏聚,且钨中的间隙钨原子与空位相比,使晶格热导率下降程度更大.纳米级氦气泡导致晶格热导率的显著降低,气孔率为2.1%时晶格热导率降至完美晶体的约25%.这些不同的缺陷造成不同程度的周围晶格扭曲,增加了声子散射几率,是导致晶格热导率下降的根源.     

随机硅–锗超晶格高通量筛选和热导率优化

低维热电材料往往可以通过降低声子热导率实现其热电性能的提升。由两种材料交替生长获得的超晶格薄膜较单一材料薄膜具有更低的热导率,通过改变材料的厚度排布,随机排列的非周期性超晶格甚至可以实现更低的热导率。本文基于非平衡分子动力学模拟计算了硅和锗薄膜热导率和非对称界面热阻,构建了随机硅–锗超晶格热导率的数值拟合等效介质模型。引入邻间因子和修正函数后,获得了可以更为准确预测随机排列硅–锗超晶格热导率的修正等效介质模型。将此模型与遗传算法相结合,可以对大量随机超晶格结构进行高通量筛选,实现了热导率的快速优化。结果表明,即使总厚度大的超晶格最低热导率仍能维持在1.4～1.8 W·m^-1·K^-1,平均周期厚度稳定在2.0～2.5 nm。     

周期数N不同的(Ce_(0.8)SmO_(2-δ))/YSZ)_N超晶格薄膜的阻抗性质

采用脉冲激光溅射技术,在MgO单晶片衬底上,以SrTiO_3作为缓冲层,交替沉积Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(2-δ)(SDC)和8 mol%Y_2O_3:ZrO_2(YSZ),制备了不同周期数的(SDC/YSZ)N超晶格电解质薄膜.利用扫描电子显微镜,X射线衍射和交流阻抗对其形貌、相结构和电学性能进行了表征.研究结果表明,薄膜具有优良的超晶格结构,层与层间的界面清晰.阻抗分析表明,周期数越多的样品显示出很小的活化能(约0.768 eV).该结果表明:周期数越多的SDC/YSZ超晶格是更为理想的低温固体氧化物燃料电池电解质.     

硅功能化石墨烯热导率的分子动力学模拟

采用Tersoff势函数与Lennard-Jones势函数,结合速度形式的Verlet算法和Fourier定律,对单层和两层硅功能化石墨烯沿长度方向的导热性能进行了正向非平衡态分子动力学模拟.通过模拟发现,硅原子的加入改变了石墨烯声子的模式、平均自由程和移动速度,使得单层硅功能化石墨烯模型的热导率随着硅原子数目的增加而急剧地减小.在300 K至1000 K温度变化范围内,单层硅功能化石墨烯的热导率呈下降趋势,具有明显的温度效应.对双层硅功能化石墨烯而言,少量的硅原子嵌入,起到了提高热导率的作用,但当硅原子数目达到一定数量后,材料的导热性能下降.     

RyMxCO4-xSb12化合物的晶格热导率

系统地研究了离子半径不同的Ba，Ce，Y作为填充原子及Fe，Ni作为置换原子对填充化合物RyMxCO4-xSb12晶格热导率的影响规律．结果表明：在skunemdite结构的sb组成的20面体空洞中，Ba，Ce，Y的填充原子能显著降低其晶格热导率，且晶格热导率降低幅度按Ba，Ce，Y离子半径减小的顺序而增大．Sb组成的20面体空洞部分被Ba，Ce填充时，晶格热导率最小，填充原子的扰动对声子的散射作用最强．在Co位置上Fe和Ni的置换，能显著地降低RyMxCO4-xSb12化合物的晶格热导率，与Fe相比，Ni对晶格热导率的影响更强．     

不同类型缺陷对多层石墨烯热导率的影响

本文采用分子动力学方法研究了300 K,650 K和1400 K温度下,片层尺寸8.70×7.48 nm2的12层石墨烯在一定数量的空位缺陷、杂质N原子和杂质化学官能团-CH3影响下的热导率。采用频谱能量密度分析方法求解了声子色散关系。结果发现杂质N原子掺杂仅影响了材料内原子质量和键长键角,对热导率影响较小;而-CH_3官能团引入了额外的官能团平动和转动能量,对热导率有一定影响;空位缺陷不仅影响了声子传递,还额外激发了高频声子,对热导率影响最大。     

p-型层状氧化锌的热电性质研究

采用第一性原理和玻尔兹曼输运理论,我们系统的研究了p-型二层氧化锌的热电性质.基于对单层氧化锌的晶格优化,计算得到其无虚频的声子谱,证明了它的热力学稳定性.由此构建了热力学性质稳定的二层氧化锌.采用实空间有限差分法生成了二层氧化锌的二阶和三阶力常数,然后得到了其声子散射和晶格热导率,使用两种计算方法得到了其晶格热导率在室温下分别为κ_ι~(BTE)=2.65 W/m·K和κ_ι~(RTA)=2.38 W/m·K.并且得到了p-型二层氧化锌在300 K至900 K等差温度下的热电优值为0.052～0.601,证明通过调节温度可以获得较高的热电优值.     

硅纳米线晶格热导率的理论分析

考虑空间尺度对声子群速度的影响,采用Callaway热导率模型计算了单晶硅纳米线的晶格热导率,讨论了三声子Umklapp过程、电子-声子散射、缺陷-声子散射以及边界-声子散射对热导率的影响.结果表明,纳米线的热导率比体材料小一个数量级,与不考虑受限声子群速度的结果相比,和实验符合得更好.另外,边界散射使得高温区的热导率体现出与温度几乎无关的特性.     

声子摩擦能量耗散机理研究

以界面摩擦为研究对象,分析了黏滑过程中的能量积累和耗散问题.基于晶格热动力学理论,通过分析界面原子在周期性势场中跳跃前后的势能差,推导了界面原子温升公式.理论表明,界面温升与摩擦系统的接触状态和材料特性有关,界面交互势能是其中影响较大的因素之一.在滑动阶段初期,由于界面原子处于非热平衡状态,晶格的热振动将通过激发出新声子而耗散能量,从而使得非热平衡向平衡状态转变.通过引入量子力学和热力学理论,分析了界面摩擦能量的耗散规律.结果表明,当声子振动频率较大时,黏着阶段存储于界面振子上的弹性势能在滑动阶段就很快完全耗散,耗散时间远小于滑动阶段的时间. 关键词： 界面摩擦 黏滑 声子 温升