纳米材料热传导中的新奇物理效应

纳米尺度热传导是物理科学、材料科学和工程热物理等相关学科的研究热点。除基础研究上的意义外,这个方向的研究在微纳米器件温度控制、新能源、热防护等重大工程技术领域也有着重要的应用价值。文章主要介绍一维、二维纳米材料(包括纳米管、纳米线、石墨烯及其他二维材料)的热传导性质。由于篇幅所限,文章集中讨论在低维体系热传导中的新奇物理效应,如碳纳米管热导率随长度的发散行为,硅纳米线中的声子相干性,以及石墨烯热传导性质的尺寸效应。文章侧重强调低维纳米材料热传导与宏观体材料热传导特性的本质区别。     

微纳米电子器件散热过程中的物理问题

微纳米电子器件的散热问题是目前制约半导体工业发展的重要瓶颈.将电子器件工作时产生的热量传输到封装外壳后再耗散到环境中去需要好几个步骤,每个步骤需要不同的方法,其中有些步骤涉及到了固体中的界面热传导问题和高性能导热材料.文章先介绍了近期关于微纳米尺度器件散热问题中碰到的热传导问题在理论和实验两方面的研究进展.在热传导理论和计算方法方面,作者讨论了傅里叶定律在微纳米尺度的适用性,介绍了玻尔兹曼方程、分子动力学模拟和格林函数方法.在热传导实验方面,介绍了用扫描热显微镜测量样品表面温度和用超快激光反射法测量薄膜材料的热导率及其界面热阻.然后介绍了界面热传导问题,包括界面热阻的计算以及电子—声子相互作用对界面热阻的影响.最后作者介绍了关于高性能导热材料方面的最新进展,包括碳基导热材料、晶格结构类似于石墨烯的氮化硼材料、高分子有机材料以及界面热阻材料.     

拓扑声子与声子霍尔效应

拓扑学与物理的结合是近几十年物理学蓬勃发展的一个新领域,它不仅活跃在量子场理论以及高能物理中,更广泛地存在于凝聚态物理体系中,包括量子(反常、自旋)霍尔效应和拓扑绝缘体(超导体)等.声子是凝聚态体系中热输运的主要载体;最近由于各种声子器件的发现,声子学得到了广泛的关注.本文介绍了声子的拓扑性质以及声子的霍尔效应现象,分别评述了在破坏时间反演对称、破坏空间反演对称、以及同时破坏时间和空间反演对称三种情况下所产生的声子霍尔效应、声子谷霍尔效应等相关物理研究进展.最后对拓扑学在其他声学体系中的应用做了简单介绍,并进一步讨论了其未来的发展方向.     

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.     

二维材料热传导研究进展

以石墨烯和氮化硼为代表的二维材料为研究低维体系热传导及其相关界面热阻提供了一个绝佳的平台.近年的研究表明,二维材料热导率有着丰富的物理图像,如长度效应、维度效应、同位素效应及各向异性等.本文详细综述近十年来二维材料在热传导方面的研究进展.首先简述二维材料热传导测量技术的原理及发展,如热桥法、电子束自加热法、时域热反射法及拉曼法等;其次,介绍二维材料热传导及界面热阻的实验研究进展,讨论其相关物理问题;最后,介绍二维材料在散热应用方面的研究进展,并进行总结、指出存在的问题及进一步展望二维材料未来在散热领域的研究方向与前景.     

微纳尺度热能调控的声子学元器件研究进展

声子是半导体材料中热能的主要载体.通过对声子调控的深入研究,人们可以为微纳电子器件散热和热能转换提供有效的解决方案.文章介绍了热能调控声子学元器件的研究进展,重点阐述了理论上如何利用微纳米结构材料构建声子学基本单元——热二极管/热整流器.此外,文章还介绍了该领域的关键测量技术和实验进展,包括热整流器和热存储器的设计与实现.最后对声子学研究的发展趋势进行了展望,并提出了存在的困难和挑战.     

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。     

热电材料的热输运调控及其在微型器件中的应用

热电能量转换技术是一种利用材料实现热能和电能直接相互转换的清洁能源技术.热电材料的性能是决定热电转换效率的关键因素,而热电材料的性能优化涉及电输运和热输运性能的协同优化.文章介绍了近期热电材料中热输运的调控机制和方法,其中重点论述了基于原子分子层次调控热传导的宽频声子散射效应和横波阻尼效应,以及低维结构和复合材料中的基于纳米微米尺度的微结构调控.最后介绍了室温附近热传导的调控机制及其在高效微型热电器件研发中的应用和进展.     

稀土掺杂氧化物纳米发光材料研究

综述了稀土掺杂纳米发光材料方面的研究进展;主要介绍稀土掺杂氧化物纳米晶与体相材料相比所具有的一些特有的光谱学性质,包括光谱的移动与谱线的展宽、4fN电子的跃迁与弛豫过程、表面局域环境和格位对称性、电子-声子耦合、能量传递、浓度猝灭、温度猝灭以及光诱导发光强度变化等光谱现象,同时也探寻了其中的物理实质。主要对上转换纳米发光材料和一维纳米线/管的发光性质进行了介绍。     

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.     

热电材料研究中的基础物理问题

热电转换技术主要包括利用半导体材料的泽贝克（Seebeck）效应将热能直接转化成电能和利用佩尔捷（Peltier）效应直接将电能转化成热能.文章简单回顾了热电转换材料中的物理效应及相关研究进展,重点介绍了常规热电材料（即窄带半导体）中的一些基本物理问题,其中包括一个好的热电材料应该具有的特性,以及提高半导体材料的电导率和泽贝克系数,降低热导率的物理机制和方法.文章还介绍了近年来电子晶体-声子玻璃类材料以及低维热电材料等热点问题的研究进展.最后还简单讨论了非常规热电材料的研究现状与趋势.     

微纳器件热传导中的基础物理问题

纳米功能器件中的温度控制已经成为世界各国迫切需要解决的关键技术.在文章中,作者简单回顾了纳米器件发展的历程和现状;以碳纳米管和石墨烯为例,重点介绍了纳米尺度热传导研究中的一些基础物理问题,以及近年来该领域中一些热点研究方向和新奇物理效应.同时,还讨论了影响纳米材料热传导性质的主要物理机制.研究这些系统本身的热传导特性,不仅对于深入理解纳米尺度能量输运的基本物理原理具有重要意义,而且与微纳电子器件的未来发展密切相关,具有广阔深远的应用前景.     

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.     

基于二硫化钼的可调一维声子晶体

声子晶体所具有的负折射率、局域缺陷态与弹性波带隙等特性,使其在声学隐身、声学波导以及减震降噪等方向展现了巨大的潜力.同时,二硫化钼优异的电学和力学性能使其成为制备纳米机电器件的理想材料.将单层二硫化钼转移到预先图案化的周期性结构上,可以制备出纳米尺度的声子晶体器件.本文设计了一种通过将单层二硫化钼转移贴合在预先制备的周期性沟槽阵列上,形成一维声子晶体的方案.有限元分析表明,这种声子晶体在MHz范围存在声子能带结构,可以实现对声波传播的控制.我们可以通过改变结构参数,或者通过改变施加在栅电极上的电压,对能带进行调控.这种结构为开发基于二维材料的纳米尺度的声子晶体器件提供了可能性.     

双层薄膜界面声子输运的Monte Carlo模拟

界面声子热输运现象广泛地存在于纳米热电装置和微纳电子器件中,但其物理机制和介观模型仍不完善。本文将考虑真实色散关系的漫射失配(DMM)界面模型引入到高效、低噪的动力型声子Monte Carlo(MC)方法,建立了一个频谱穿透系数的界面声子输运数值模型。采用新的数值模型研究了室温下Si/Al薄膜中的界面声子输运,可准确捕捉法向输运和面向输运的非平衡效应。     

二维材料及其异质结的声子物理研究

声子是固体最重要的元激发之一,是理解材料摩尔热容、德拜温度以及热膨胀系数等热力学性质的基础,同时电声子相互作用也决定了固体的电导和超导等特性。拉曼光谱是表征固体声子物理的重要实验手段,不仅能表征材料的结构和质量,还能提供材料声子性质、电子能带结构、电声耦合等信息。文章将拉曼光谱应用于二维材料及其范德瓦尔斯异质结的声子物理研究。先简单介绍二维材料的层间振动声子模式和层内振动声子模式,其中层间振动声子模式的频率可用线性链模型来计算,而强度则可用层间键极化率模型来解释;同类层内振动声子模式的Davydov劈裂峰之间的频率差异可用范德瓦尔斯模型拟合。随后,将这些模型推广到二维范德瓦尔斯异质结中,以转角多层石墨烯、MoS_2/石墨烯和hBN/WS_2为例介绍了范德瓦尔斯异质结的声子谱,阐述如何应用线性链模型和经典键极化率模型计算层间振动模的频率和强度,并由此给出二维范德瓦尔斯异质结的界面耦合强度和各层间呼吸模的电声耦合强度等重要参数。     

微观尺度下的水:从准一维、二维受限空间到生物以及材料表面

地球上的各种过程,包括物理、化学、环境和生物等,大多数与微观尺度下的界面水息息相关.界面水有大量悬而未决的基础科学问题,长期以来水都是重要的科学研究对象.本文通过从一维受限空间、二维表面以及生物大分子和材料表面上的水等角度概述当前的一些研究进展,讨论与界面水相关的一些前沿问题,以及在界面水方面的基础研究和新技术的突破对于解决这些前沿问题的必要性.     

金属纳米颗粒与二维材料异质结构的界面调控和物理性质

二维材料具有原子级光滑表面、纳米级厚度和超高的比表面积,是研究金属纳米颗粒与二维材料的界面相互作用,实时、原位观察金属纳米颗粒的表面原子迁移、结构演化和聚合等热力学行为的重要载体.设计和构筑金属纳米颗粒与二维材料异质结构界面,在原子尺度分析和表征界面结构,揭示材料结构和性能之间的相互关系,对于理解其相互作用和优化器件性能具有重要价值.本文总结了近年来金属纳米颗粒在二维材料表面成核、生长、结构演化及其表征的最新进展,分析了金属纳米颗粒对二维材料晶体结构、电子态、能带结构的影响,探讨了可能的界面应变、界面反应,及其对电学和光学等性质的调控,讨论了金属纳米颗粒对基于二维材料的场效应管器件和光电器件的性能提升策略.为从原子、电子层次揭示微结构、界面原子构型等影响金属纳米颗粒-二维材料异质结性能的物理机制,为金属-二维材料异质结构的研制及其在电子器件、光电器件、能源器件等领域的应用奠定了基础.     

缺陷增强铜/金刚石界面热导的分子动力学研究

铜和金刚石热载流子不同且声子态密度差异大，限制了其界面热输运。本文采用分子动力学模拟对铜和金刚石的界面热输运机理进行探究，提出通过对界面附近纳米尺度的金刚石层添加缺陷来改善其与铜的界面声子耦合。计算结果表明，在缺陷浓度为0.08时，铜和金刚石的界面热导比未添加缺陷时提高了89.2%。并进一步发现，虽然有缺陷的金刚石薄层自身热导率有所下降但仍远高于一般的热界面材料，因此界面处的集总热阻仍然得到了大幅降低。     

二元氧化物Yb3TaO7的非晶状热传导机理

具有非晶状热导率的固体材料在热能转换和热管理应用中备受青睐.因此,揭示晶体材料的非晶状热传导机理对于开发和设计低热导率材料至关重要.本文运用原子模拟方法揭示了萤石结构二元简单晶体Yb₃TaO₇的非晶状低热导率的物理机理.研究发现,萤石Yb₃TaO₇的低热导率主要是由O-Yb和O-Ta之间的原子间结合力相差较大引起的.这种相差较大的原子键可以极大地软化声子模式,从而抑制声子输运.振动模式分解显示,萤石Yb₃TaO₇中的大多数声子模式位于Ioffe-Regel极限以下,表现出强烈的扩散特征.萤石Yb₃TaO₇中绝大部分(> 90%)的热流是通过扩散模式而不是传播模式传输.因此,萤石Yb₃TaO₇中的热传导表现出独特的类非晶特性.同时发现,萤石Yb₃TaO₇中的光学声子模式在热传导中发挥着重要的作用.本文对于原子间结合力与低热...