基于界面原子混合的材料导热性能

构造了界面具有原子混合的硅锗(Si/Ge)单界面和超晶格结构.采用非平衡分子动力学模拟研究了界面原子混合对于单界面和超晶格结构热导率的影响,重点研究了界面原子混合层数、环境温度、体系总长以及周期长度对不同晶格结构热导率的影响.结果表明:由于声子的“桥接”机制,2层和4层界面原子混合能提高单一界面和少周期数的超晶格的热导率,但是在多周期体系中,具有原子混合时的热导率要低于完美界面时的热导率;界面原子混合会破坏超晶格中声子的相干性输运,一定程度引起热导率降低;完美界面超晶格具有明显的温度效应,而具有原子混合的超晶格热导率对温度的敏感性较低.     

包含倾斜晶界的双晶ZnO的热输运行为

用嵌入位错线法和重合位置点阵法构建含有小角度和大角度倾斜角的双晶氧化锌纳米结构.用非平衡分子动力学方法模拟双晶氧化锌在不同倾斜角度下的晶界能、卡皮查热阻,并研究了样本长度和温度对卡皮查热阻和热导率的影响.模拟结果表明,晶界能在小角度区域随倾斜角线性增加,而在大角度区域达到稳定,与卡皮查热阻的变化趋势一致.热导率随样本长度的增加而增加,卡皮查热阻表现出相反的趋势.然而随着温度的增加,热导率和卡皮查热阻都减小.通过比较含5.45°和38.94°晶界样本的声子态密度,发现声子光学支对热传导的影响不大,主要由声子声学支贡献,大角度晶界对声子散射作用更强,声学支波峰向低频率移动.     

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.     

石墨烯纳米网中的声子干涉效应

石墨烯纳米网(GNM)是一种具有周期性纳米孔分布的单层石墨烯,在热电能量转换、热能存储、场效应晶体管等领域具有广阔的应用前景.本文采用非平衡分子动力学与晶格动力学的方法对GNM的热输运机理进行研究.结果表明:GNM的导热系数随纳米孔数量的增加而减小,部分原因归因于声子布拉格散射引起的带隙产生和声子群速度的降低;横向和纵向纳米孔的间距共同影响GNM热输运过程,当水平间距较小时,GNM的导热系数随纵向间距的增大单调减小,随横向间距的增大单调增大;随着水平间距的增大,在声子干涉和散射的共同作用下,导热系数产生明显的波动.这些结论可为GNM中的热输运调控提供理论参考.     

基于纳米点嵌入的界面导热性能优化

调节界面热导(ITC)是纳米电子器件热管理的关键任务.本文采用非平衡态分子动力学方法研究了在界面处嵌入锡(Sn)纳米点对硅锗(Si/Ge) ITC的影响.研究发现,在声子弹性和非弹性两种竞争机制下ITC随Sn纳米点的数量的增加先升后降,在嵌入4个Sn纳米点时达到顶峰,ITC是完美界面(无纳米点嵌入)时的1.92倍.通过计算声子透射函数和态密度可以知道,ITC增加的原因是声子的非弹性散射得到加强,增强的非弹性声子散射为界面声子输运打开了新的通道.随着纳米点数量增加到一定值时,声子的弹性散射逐渐占据主导地位,ITC开始降低.     

类石墨烯氮化碳结构(C3N)热传导机理研究

类石墨烯氮化碳结构(C₃N)作为一种全新的碳基二维半导体材料,由于其优异的机械和电子性能引起了研究者们的广泛关注,不同结构C₃N的热输运和声子输运机制还待进一步研究.本文构造了4种不同结构的C₃N,采用非平衡分子动力学与晶格动力学方法对不同结构的C₃N的热传导机理进行了研究.研究结果表明:1)在4种结构中M3热导率最高,M1次之,M4热导率最低;2)不同结构的C₃N的热导率具有明显的尺寸效应和温度效应.当样本长度较短时,声子主要以弹道输运的方式进行传输;当样本长度增大,扩散输运占主导地位;随着温度的升高,Umklapp散射在热输运中占据主导地位,使得热导率与温度具有1/T的依赖性.3)与M3相比,M1和M4结构中都存在更大的声子带隙,色散曲线进一步软化,低频和高频声子同时出现了局域化的特征,对热导率产生了显著的抑制作用.本文为更好地设计热管理材料提供了思路.     

纳晶铜晶粒尺寸对热导率的影响

用热压烧结法制备得到纳晶铜块体. 用激光法测定了不同温度下制备得到的纳晶铜块体的热导率, 并建立卡皮查热阻模型对样品热导率进行模拟. 通过对比, 模拟结果与实验数据基本一致. 随着热压烧结温度的升高, 纳晶铜晶粒尺寸也随之增大. 在900和700 ℃其热导率分别达到了最大和最小值且所对应的热导率分别为200.63和233.37 W·m^-1·K^-1, 各占粗晶铜块体热导率的53.4%和60.6%. 验证了纳晶铜热导率在一定的晶粒尺寸范围内具有尺寸效应, 随着晶粒尺寸的减小, 热导率逐渐减小.