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     

爱因斯坦固体模型中的化学势疑难及其解决

一般而言,固体系统具有单一的自由能和其它热力学函数,但是有两个化学势,一个来自振子一个来自声子,前者非零而后者为零.爱因斯坦利用的是玻尔兹曼统计,发现固体原子的单个振动的配分函数可以解释成为单一频率声子气体的配分函数,其中声子的化学势为零,但是固体原子的化学势却不能解释成为声子的化学势.本文采用微正则系综,同时给出了固体原子和声子的化学势.     

晶格热振动对准二维强耦合极化子有效质量的影响

采用Tokuda改变的线性组合算符法和改进的LLP变分法，研究了晶格热振动对无限势垒量子阱中电子与界面光学声子强耦合、与体纵光学声子弱耦合系统的影响，推导出作为阱宽和温度函数的极化子有效质量的表达式. 尤其得到了量子阱中极化子的振动频率及其随阱宽和温度变化的规律. 对KI/AgCl/KI量子阱进行了数值计算，结果表明，极化子的振动频率和有效质量随阱宽的增加而减小、随温度的升高而减小，但不同支声子与电子相互作用对极化子的振动频率和有效质量的贡献以及它们随阱宽和温度的变化情况大不相同. 关键词： 量子阱 强耦合极化子 振动频率 有效质量 温度依赖性     

对高频声子的探测

晶体中的原子在其平衡点附近的摇晃会产生振动波,即声子．声子能在固体中传播声、热能和其他形式的能量,测量声子的性质可以提供有关晶体的结构以及原子间相互作用的各种信息．声子的性质一般是利用与光子的声一光相互作用来测定的．但当声波的波长小到只有原子间距的大小时,就很难利用声一光作用来探测声子了．因此,尽管有许多科学家都认为,在固体中已激发出了高频声子,但却无法用直接或间接的方法来精确地测定它们．     

量子点调制的一维量子波导中声学声子输运和热导

利用散射矩阵方法,比较了被一维凸形量子点、凹形量子点调制的量子线中膨胀模的声子输运和热导性质. 研究结果表明: 声子的输运概率与热导受制于量子点几何结构,具有凸形量子点结构的量子线中声子输运概率与热导K_CV大于具有凹形量子点结构的量子线中声子输运概率与热导K_CC. 两者热导之比K_CV/K_CC依赖于一维量子点的具体结构,且随着温度及主量子线与量子点横截面的边长差Δ_SL的增加而增加. 两种具有不同散射结构的一维量子线中热输运性质的区别在于凸形量子点结构中膨胀模数量总是大于凹形量子点结构中膨胀模数量的缘故. 关键词： 声学声子输运 热导 量子结构     

微波声学和微声器件的发展和应用

微波声学是一门新兴学科,十多年来发展迅速,并且已根据其原理发展出一系列新型的微声器件．本文简单地介绍了微声体波与表面波目前达到的水平,微波声子与电子、热声子、磁子、电子自旋量子以及核自旋量子等的相互作用以及它在研究固体方面的应用;表面声波的传播规律和表面波微声器件的现状及其发展前景;微声材料的现状及要求等．也指出了上述诸方面还存在的问题和其发展前途．重点放在表面声波及其器件方面．     

抛物量子线中弱耦合极化子的有效质量和光学声子平均数

讨论电子与体纵光学(LO)声子弱耦合时对抛物量子线中极化子性质的影响.采用Tokuda改进的线性组合算符法、Lagrange乘子和变分法,导出了抛物量子线中弱耦合极化子的有效质量和光学声子平均数随拉格朗日乘子变化的规律及极化子振动频率随量子线约束强度的变化规律.并以ZnS量子线为例进行了数值计算,结果表明:抛物量子线中弱耦合极化子的有效质量m^*和光学声子平均数N随着拉格朗日乘子u的增加而增大;该结论与体材料中结论基本一致,但量子线中的效应比体材料更明显,表明量子线对电子约束的增强,使极化子效应更明显.同时,极化子振动频率λ随约束强度ω₀的增强而增大.     

非对称量子点中磁极化子的声子平均数

采用线性组合算符方法研究了非对称量子点中强、弱耦合磁极化子的声子平均数的性质。导出了非对称量子点中强、弱耦合磁极化子的声子平均数和振动频率随量子点的横向和纵向受限强度,电子-声子耦合强度的变化关系。对RbCl晶体进行数值计算,结果表明非对称量子点中强、弱耦合磁极化子的声子平均数和振动频率随量子点的横向和纵向受限强度和电子-声子耦合强度的增大而迅速增大。     

含双T形量子结构的量子波导中声学声子输运和热导

采用散射矩阵方法, 研究了含双T形量子结构的量子波导中声学声子输运和热导性质. 结果表明: 在极低温度, 双T形量子结构能增强低温热导; 相反地, 在相对较高的温度范围, 双T形量子结构能降低低温热导. 而在整个低温范围内, 增加散射区域最窄处的宽度能增强低温热导. 计算结果表明可以通过调节含双T形量子结构的量子波导结构来调控声子的输运概率和热导. 关键词： 声学声子输运 热导 量子结构     

非对称量子点中极化子的声子平均数

采用线性组合算符和幺正变换方法研究非对称量子点中强、弱耦合极化子的声子平均数的性质,导出了量子点中强、弱耦合极化子的声子平均数和振动频率随量子点的横向和纵向受限强度、电子-声子耦合强度的变化关系。对RbCl晶体进行数值计算,结果表明非对称量子点中强耦合极化子的振动频率和声子平均数随量子点的横向和纵向的受限强度的增强而迅速增大,随电子-声子耦合强度的增强而增大。     

通过光子与横向光频支声子直接耦合产生超声

详细地讨论了通过光子与横向光频支（TO）声子直接耦合产生高频超声问题。着重研究如下的原则性的实验方案：在构成共振腔主体的离子晶体中掺入某种活化原子（犹如固体激光器中受到抽运的杂质原子）,其受激辐射的光能用于激发TO声子,从而获得超声振动向腔外的输出。分析的结果说明,为保证运行的稳定性,体现在声子与光子的非线性耦会以及声子间耦合的晶格振动非简谐性是必要的。对这种光一声装置的工作物质的探索,将关系到对离子晶体晶格动力学上的非线性及有关电磁耦合特性的深入研究     

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.     

抛物量子点中弱耦合束缚极化子的相互作用能

研究了抛物量子点中弱耦合束缚极化子的性质,采用改进的线性组合算符和幺正变换方法导出了束缚极化子的振动频率、有效质量和相互作用能。讨论了量子点的有效受限长度、电子LO声子耦合强度和库仑场对抛物量子点中弱耦合极化子的振动频率、有效质量和相互作用能的影响。数值计算结果表明:弱耦合束缚极化子的振动频率和相互作用能随有效受限长度的减少而急剧增大,振动频率随库仑势以及电子LO声子耦合强度的增加而增加,而相互作用能随库仑势以及电子LO声子耦合强度的增加而减小。有效质量仅与电子LO声子耦合强度有关。     

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.     

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     

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.     

磁场对非对称量子点中弱耦合极化子的相互作用能的影响

采用改进的线性组合算符和幺正变换相结合的方法,研究磁场、量子点的横向和纵向有效受限长度和电子-声子耦合强度对非对称量子点中弱耦合磁极化子的振动频率和相互作用能的影响.导出了振动频率和相互作用能随量子点的横向和纵向有效受限长度、电子-声子耦合强度和磁场的回旋共振频率的变化关系.数值计算结果表明:振动频率和相互作用能随量子点的横向和纵向有效受限长度的减小而迅速增大,随磁场的回旋共振频率的增加而增大,相互作用能随电子-声子耦合强度的减小而呈线性的增大.     

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     

一维晶格振动声子谱的全量子理论和"不变量本征算符"方法

建立一维晶格振动声子谱的全量子理论,其哈密顿量是自动包含了Born-von-Karmann边界条件的环链量子哈密顿量,然后用不变本征算符方法简捷地求出其声子谱.     

非对称量子点中弱耦合极化子的相互作用能

采用改进的线性组合算符和幺正变换方法,研究非对称量子点中弱耦合极化子的性质.导出了非对称量子点中弱耦合极化子的振动频率和相互作用能随量子点的横向和纵向有效受限长度和电子-声子耦合强度的变化关系.数值计算结果表明:非对称量子点中弱耦合极化子的振动频率和相互作用能随量子点的横向和纵向有效受限长度的减小而迅速增大,表现出奇特的量子尺寸效应.