固态金属中声子热传递的分子动力学模拟研究

固态金属中的热传递是声子和自由电子共同作用的结果。自由电子引起的热导率可以通过电导率,利用Wiedemann-Franz定律得到,声子引起的热导率目前仍然不能进行实验测量,只能借助其他方法来研究。本文采用非平衡分子动力学(NEMD)方法,用镶嵌原子方法(EAM)势能模型,模拟计算了不同厚度(1.760-10.56nm)金属镍薄膜中由于声子-声子作用引起的热导率。然后根据纳米厚度金属薄膜的热导率借助关联式推到宏观尺度下由于声子-声子作用引起的热导率。结果表明,对于纳米厚度金属薄膜,由于声子-声子作用引起的热导率比块体金属镍的热导率小一个数量级;薄膜厚度越小,声子-声子作用引起的热导率越小;对于块体金属镍,由于声子-声子作用引起的热导率约占其总热导率的33.0%左右。     

金属纳米颗粒的热导率

本文使用统计模拟方法对金属纳米颗粒的电子平均自由程进行了计算,并考察了纳米颗粒的晶格比热和声子平均群速度,最后应用动力学理论对纳米颗粒的电子热导率和声子热导率分别进行了求解.研究结果表明:具有相同特征尺寸的方形、球形纳米颗粒的无量纲电子(或声子)平均自由程比较接近.金属纳米颗粒的电子热导率远大于声子热导率;电子、声子热导率随着直径减小呈现降低趋势,而电子热导率的颗粒尺度依赖性比声子热导率更为明显;随着颗粒直径进一步减小,声子热导率与电子热导率趋于同一数量级.当纳米颗粒特征尺寸大于4倍块材电子(或声子)平均自由程,其电子(或声子)热导率的颗粒尺度依赖性将减弱.     

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.     

空位缺陷对碳纳米管/石墨烯纳米带导热的影响

本文利用分子动力学方法研究空位缺陷对碳纳米管和石墨烯纳米带导热特性的影响,并分析声子态密度、声子模式参与率探究导热机理。研究表明:空位缺陷引起碳管和纳米带热导率降低,在200～600 K的温度范围内,碳管和纳米带热导率的下降幅度分别可达47.57%、38.84%.碳管和纳米带热导率的降低归因于声子态密度衰减且声子模式参与率较小.由于边界散射作用削弱了缺陷对纳米带热导率的影响,纳米带热导率的降低幅度低于碳管.     

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.     

考虑界面散射的金属纳米线热导率修正

理论分析了声子和电子输运对Cu, Ag金属纳米线热导率的贡献. 采用镶嵌原子作用势模型描述纳米尺寸下金属原子间的相互作用, 应用平衡分子动力学方法和Green-Kubo函数模拟了金属纳米线的声子热导率; 采用玻尔兹曼输运理论和Wiedemann-Franz定律计算电子热导率; 并通过散射失配模型和Mayadas-Shatzkes模型引入晶界散射的影响. 在此基础上, 考察分析了纳米线尺度和温度的影响. 研究结果表明: Cu, Ag纳米线热导率的变化规律相似; 电子输运对金属纳米线的导热占主导地位, 而声子热导率的贡献也不容忽视; 晶界散射导致热导率减小, 尤其对电子热导率作用显著; 纳米线总热导率随着温度的升高而降低; 随着截面尺寸减小而减小, 但声子热导率所占份额有所增加. 关键词： 纳米线 热导率 表面散射 晶界散射     

表面共振圆环结构对Si纳米线热传导的调控

利用声子的波动性,在纳米线表面引入共振结构,可以有效阻碍声子输运.为进一步优化共振结构,本文基于平衡态分子动力学(EMD)方法,研究表面共振圆环结构的高度和宽度对Si纳米线热输运性质的影响.结果表明：随着共振圆环高度的增加,Si纳米线的热导率逐渐减小,最大减幅可达61.9%.当高度达到2nm以后,热导率基本不再变化.共振圆环宽度则对热导率的影响较小.声子色散关系中出现的平带,证实了共振圆环引起的声子共振效应;最低共振频率的变化说明了共振圆环中的声子波长决定了共振圆环高度对纳米线热导率的最大影响程度.研究进一步发现,随着共振圆环高度的增加,声学支声子对热导率贡献的比重变小.本文研究结果对高效热电材料和隔热材料的微纳结构设计提供了一种新的思路.     

Ⅲ-Ⅴ族硼基化合物半导体反常热导率机理

采用基于玻尔兹曼输运方程的第一性原理计算方法深入研究了硼基Ⅲ-Ⅴ化合物的热导率性质,与Ⅳ族和Ⅲ-Ⅴ族半导体进行对比,发现砷化硼的高热导率主要来源于硼基Ⅲ-Ⅴ化合物中声学支和光学支之间存在一个很大的频率带隙,导致两个声学声子的能量要小于一个光学声子的能量,无法满足三声子散射的能量守恒要求,严重遏制了三声子散射几率.金刚石的高热导率主要来自其拥有极大的声学声子群速度.磷化硼虽然也拥有较大的声学声子群速度,但是其频率带隙比较小,无法有效遏制三声子散射,所以磷化硼的热导率小于砷化硼;尽管锑化硼的频率带隙与砷化硼相当,但是由于其拥有较小的声学声子群速度和较大的耦合矩阵元,导致锑化硼的热导率低于砷化硼.该研究为设计高热导率半导体材料提供了新的认识.     

螺旋纳米带中的声子输运

运用微分几何方法及形式散射理论,研究螺旋纳米带中的标量声子输运问题,计算了声子透射系数及热导率.数值结果表明,弯曲导致了声子模式之间的量子干涉,使总透射系数随能量变化的量子化台阶呈现振荡行为,有效地抑制了热导率. 关键词： 螺旋纳米带 声子输运 形式散射理论 微分几何方法     

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     

蓝青铜Tl0.3MoO3单晶电荷密度波的低频钉扎效应

在１０Ｈｚ至１３ＭＨｚ频率范围内,我们对蓝青铜Ｔｌ０．３ＭｏＯ３单晶在电荷密度波态不同温度下的复电导进行了系统的研究。在非共振区,Ｔｌ０．３ＭｏＯ３单晶的电导行为与Ｒａｍａｎｕｊａｃｈａｒｙ等人所报道的相一致。但是在低频区所观察到共振现象的特征钉扎频率比该小组所报道的小一个量级,而与Ｋ０．３ＭｏＯ３具有相同的量级。通过加上一个Ｄｒｕｄｅ项,利用谐振子模型拟合实验数据,我们得到了单粒子能隙,电子的有     

聚N-乙烯基咔唑-2,4,7,三硝基-9-芴酮电荷转移复合物薄膜的载流子迁移率

采用渡越时间法测量了PVC_z-TNF电荷转移复合物薄膜载流子的迁移率。观察到电子和空穴在输运过程中的差异:电子的渡越时间是大致均一的。空穴的渡越时间有一个分布,在电场作用下迁移可用Scher-Montroll的理论处理;并观察到在低电场下(E<1.8×10⁵V/cm)迁移率为一恒定值。结合暗电导率的测量对该材料的非欧姆性电导的本质进行了讨论,认为在强电场下载流子迁移率和浓度都随电场增加而增大。 关键词：     

离子声波对电子输运的影响

从Balescu-Lenard碰撞项出发,得到了电子-电子通过交换离子声波对碰撞的贡献项,并计算了电子输运(热导)系数.计算结果表明,由于离子声波的作用电子热导系数有所下降 关键词： 电子输运 离子声波 Balescu-Lenard方程     

Transition from gas-kinetic to minimal metal-type conductivity in a supercritical fluid of metal vapor

We have proposed a peculiar model of the plasma of dense metal vapors, containing atoms embedded into the electron jelly, as well as free (thermally ionized) electrons and ions. The main feature of the model is the presence of the electron jelly existing at any density of the atomic component. The number of electrons in the jelly increases under compression. The process of its formation can be called the “cold” ionization, or pressure ionization. The composition of the gas–plasma mixture, including the concentration of atoms and electrons in the jelly, as well as the concentration of free thermally ionized electrons and ions, has been calculated. The conductivity of dense vapors is determined by the sum of the conductivities of thermal electrons (which is calculated using the Frost formula) and jelly electrons (which is calculated by the Regel–Ioffe formula for the minimal metal-type conductivity). The concentration of thermal electrons decreases and the concentration of jelly electrons increases upon compression of the vapor. Accordingly, the conductivity varies from the conductivity of thermal electrons to the conductivity of jelly electrons, continuously passing through the minimum. The calculated values of the conductivity of supercritical metal vapors are in satisfactory agreement with experimental results.     

用低杂波驱动电流的等离子体电导率

本文用Liu的低杂波驱动电流模型,导出了弱场近似下低杂波驱动电流的等离子体电导率。结果表明,电导率对磁场B_0,电子密度n_0,以及电子温度T_e非常敏感。而这些参量决定着共振电子的数目和速度。     

Halleffekt und Leitfähigkeitsmessungen an Zinkoxid-Einkristallen mit Sauerstofflücken als Donatoren

The electrical conductivity and Hall effect of pure zinc oxide single crystals have been measured from 5 to 300 K. The temperature dependence of the conductivity and the charge carrier concentration is similar to silicon and germanium. The low temperature conduction mechanism depending on the impurity concentration is explained by means of hopping conductivity and impurity band conduction. The impurity band is supposed to be built up of overlapping wave functions of the excited donor states. The results have been discussed supposing that the donors are oxygen vacancies occupied by one or by two electrons.     

Electron transport in Ti1−xNbxO2 solid solutions with x < 4%

By means of conductivity and thermopower measurements in niobium doped rutile TiO₂, we have analysed the electron transport. A previous study made in TiO₂ pointed out the existence of a large polaron transport. Nevertheless, some uncertainties remain as the precise dependence of the mobility with the temperature. The Nb doped TiU₂ studied in the present paper brings some new information: the mobility could follow an optical phonon scattering law. The FHIP model seems to be the more appropriate model to describe the mobility but the lack of theoretical calculation of transport energy does not allow definitive conclusions about the physical processes which occur in the intermediate range of temperature. However, we can say that the ionization activation energy of Nb is found to be close to 14 eV.Moreover, it is found that the localized electrons become mobile by hopping with increasing niobium content. This yields a conductivity composed by electrons which move in the 3d Ti band and localized electrons which hop from site to site. This hopping component and the number of localized electrons increase with niobium content. This leads to the disappearance of the band motion in the conductivity.     

激光与金靶耦合中非局域电子热传导的影响

 在一维非平衡辐射流体力学程序中,引入非局域电子热传导公式,对三倍频激光与金平面靶耦合产生等离子体状态进行了数值模拟计算。数值结果与加限流处理的Spitzer-Harm公式计算结果的比较表明,非局域电子热传导能够得到更为合理的数值结果和物理图象。     

一种纳米硅薄膜的传导机制

基于对实验和理论的分析，提出一种异质结量子点隧穿（HQD）模型，并导出了纳米硅薄膜电导率完整的表达式．其主要思想是，纳米硅薄膜中的微晶粒（几个纳米大小）具有量子点特征，在微晶粒与界面之间由于两者能隙的差异构成晶间势垒，这类似于多晶硅中经常使用的晶间势垒模型（GBT）．考虑到量子点中的单电子隧穿特征，认为纳米硅薄膜中的电传导是由微晶粒中电子弹道式输运与单电子越过势垒的隧穿构成的．这就是HQD模型的主要内容，理论结果与实验相符 关键词：     

Photo conductivity of condensed electrons in the dilute metal N-type Hg0.8Cd0.2Te

We have measured time resolved photo conductivity in n-type Hg_0.8Cd_0.2Te above the magnetic quantum limit. In this dilute metal the low temperature magneto-transport is governed by a thermally activated mobility of the electrons, behaving like a viscous liquid of molecules or atoms. Photo conductivity proved to represent a valuable method to obtain information on electron correlation time, on the carrier density and on the recombination time of dondensed electrons.