钨/石墨烯/钨面向等离子体复合材料力学和热学及其抗辐照性能的第一性原理计算研究

通过第一性原理计算研究了钨/石墨烯/钨复合材料相比于纯钨金属在力学与热学性质方面的变化，并用氦原子-空位缔合缺陷模拟核聚变辐照损伤评估等离子体辐照条件下的性能.计算结果表明:钨/石墨烯/钨复合材料的体积弹性模量、杨氏模量与剪切模量呈现一定程度的下降，但是提升了钨基材料的延展性;钨/石墨烯/钨复合材料的热膨胀系数有所增加，但是具有较高的最小热导率.本文阐述了石墨烯界面层可以对基体杂质与缺陷进行吸附的独特机制，通过这种机制，钨/石墨烯/钨复合材料在力学、热膨胀系数以及最小热导率有更低程度的衰减，这显示了钨/石墨烯/钨复合材料在抗辐照性能方面具有较大的应用潜力.     

Al辐照损伤初期的第一性原理研究

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波赝势方法,对Al辐照损伤初期产生的本征点缺陷和He缺陷进行了研究.通过晶体结构、缺陷形成能和结合能,分析比较了缺陷形成的难易程度及对晶体稳定性的影响,并从态密度、差分电荷密度和电荷布居的角度,分析了其电子机理.结果表明:对于同类型的缺陷,其造成的晶格畸变越大,体系稳定性越低,缺陷形成的难度越大.同类型缺陷形成的难易程度由易到难依次为空位(置换位原子)、八面体间隙原子和四面体间隙原子,但相同位置的本征缺陷的形成难度小于He缺陷.间隙原子容易与空位结合,且Al原子与空位结合的能力强于He原子.间隙Al原子和He原子主要存在于八面体,且缺陷原子引起部分电子向更高能级转移,并导致与其最邻近的Al原子之间的共价作用减弱,从而降低了体系稳定性.间隙Al原子与最邻近的Al原子之间产生了强烈的共价作用,而He原子和最邻近Al原子之间主要为范德瓦耳斯力和较弱的离子键,这是含He缺陷的体系稳定性更低的重要原因.     

辐照导致钨表面的溅射现象的理论研究

采用基于量子力学的分子动力学方法,模拟了高能粒子辐照导致钨表面的溅射和结构损伤.结果显示,当PKA能量高于200 eV且入射角度大于65°时开始产生溅射原子,当入射角度在45°-65°之间时,钨表面因受辐照而导致的空位数目最少.因此,当PKA入射角度取在45°-65°之间时,可以有效地降低辐照导致的钨表面的结构损伤.还发现钨表面含有间隙原子时会加剧表面原子溅射,而包含空位原子且PKA取在空位附近时则会抑制表面原子的溅射.     

Fe-Cr合金辐照空洞微结构演化的相场法模拟

Fe-Cr合金作为包壳材料在高温高辐照强度等极端环境下服役,产生空位和间隙原子等辐照缺陷,辐照缺陷簇聚诱发空洞、位错环等缺陷团簇,引起辐照肿胀、晶格畸变,导致辐照硬化或软化致使材料失效.理解辐照缺陷簇聚和长大过程的组织演化,能更有效调控组织获得稳定服役性能.本文采用相场法研究Fe-Cr合金中空洞的演化,模型考虑了温度效应对点缺陷的影响以及空位和间隙的产生和复合.选择400—800 K温度区间、0—16 dpa辐照剂量范围的Fe-Cr体系为对象,研究在不同服役温度和辐照剂量下的空位扩散、复合和簇聚形成空洞的过程.在400—800 K温度区间,随着温度的升高,Fe-Cr合金空洞团簇形核率呈现出先升高后下降的趋势.考虑空位与间隙的重新组合受温度的影响可以很好地解释空洞率随温度变化时出现先升高后降低的现象.由于温度的变化将影响Fe-Cr合金中原子离位阀能,从而影响产生空位和间隙原子.同一温度下,空洞半径和空洞的体积分数随辐照剂量的增大而增大.辐照剂量的增大,级联碰撞反应加强,空位与间隙原子大量产生,高温下空位迅速的扩散聚集在Fe-Cr合金中将形成更多数量以及更大尺寸的空洞.     

点缺陷对L1_2-Al_3Li金属间化合物热力学性能的影响

运用基于第一性原理的平面波赝势法研究了L12-Al3Li金属间化合物中Li原子空位和Al原子反位缺陷对Al3Li热力学性能的影响,结果表明:Al反位缺陷易与周围原子形成局域共价键,使晶体体积增大,而Li空位缺陷却减小了晶体体积.Li空位缺陷使L12-Al3Li的硬度增加,延展性降低,德拜温度值升高.Al反位缺陷降低了晶体的硬度,增加了延展性,降低了德拜温度值.在德拜温度以下,Li空位缺陷减小了L12-Al3Li的热容,而Al反位缺陷使晶体热容增大.晶格畸变对L12-Al3Li晶体的热力学性能有重要影响.     

钨/石墨烯/钨面向等离子体复合材料力学与热学及耐辐照性能衰减的第一性原理计算

通过第一性原理计算研究了钨/石墨烯/钨复合材料相比于纯钨金属在力学与热学性质方面的变化,并用氦原子-空位缔合缺陷模拟核聚变辐照损伤评估等离子体辐照条件下的性能。计算结果表明：钨/石墨烯/钨复合材料的体积弹性模量、杨氏模量与剪切模量呈现一定程度的下降,但是提升了钨基材料的延展性;钨/石墨烯/钨复合材料的热膨胀系数有所增加,但是具有较高的最小热导率。本文阐述了石墨烯界面层可以对基体杂质与缺陷进行吸附的独特机制,通过这种机制,钨/石墨烯/钨复合材料在力学、热膨胀系数以及最小热导率有更低程度的衰减,这显示了钨/石墨烯/钨复合材料在抗辐照性能方面具有较大的应用潜力。     

点缺陷对 L12-Al3Li金属间化合物热力学性能的影响

运用基于第一性原理的平面波赝势法研究了L12-Al3Li金属间化合物中Li原子空位和Al原子反位缺陷对Al3Li热力学性能的影响,结果表明：Al反位缺陷易与周围原子形成局域共价键,使晶体体积增大,而Li空位缺陷却减小了晶体体积。Li空位缺陷使L12-Al3Li的硬度增加,延展性降低,德拜温度值升高。Al反位缺陷降低了晶体的硬度,增加了延展性,降低了德拜温度值。在德拜温度以下,Li空位缺陷减小了L12-Al3Li的热容, 而Al反位缺陷使晶体热容增大。晶格畸变对L12-Al3Li晶体的热力学性能有重要影响     

金属材料界面与辐照缺陷的交互作用机理

高能粒子辐照在材料内部产生大量的辐照缺陷,如间隙原子、空位、位错环、空洞和气泡等.大量辐照缺陷的形成和演化引起材料微观结构的失稳并造成严重的辐照硬化和脆化.界面工程是一种调控材料抗辐照性能的有效方法.通过引入高密度的晶界、相界、自由表面等来增加空位和间隙原子的复合概率,能有效降低辐照缺陷的积聚,提高材料的结构稳定性,消除或减弱辐照的有害效应.本文简述了几种典型金属材料界面与不同类型辐照缺陷的交互作用机理,分析了界面结构、缺陷类型和辐照条件对交互作用过程的影响,最后讨论了本领域需进一步关注的热点问题,期望运用多学科知识和研究方法更好地揭示辐照损伤过程并设计新型抗辐照损伤材料.     

离子辐照对磷烯热导率的影响及其机制分析

通过离子辐照产生缺陷,可以非常有效地调控磷烯诸多物理性质.本文应用分子动力学方法模拟离子辐照磷烯的过程,给出了缺陷的形成概率与入射离子能量、离子种类以及离子入射角度之间的关系,并且应用非平衡态分子动力学计算辐照后磷烯热导率的变化.以缺陷形成概率为切入点,系统地研究了辐照离子的能量、辐照剂量、离子的种类以及离子的入射角度对磷烯热导率的影响.应用晶格动力学方法研究了空位缺陷对磷烯声子参与率的影响,并计算了声子局域模式的空间分布.基于量子微扰和键弛豫理论,指出空位缺陷明显降低磷烯热导率的最重要物理机制是空位缺陷附近的低配位原子对声子强烈散射.本文研究可为缺陷工程调控磷烯的热输运性质提供理论参考.     

KH2PO4中电子或空穴辅助下的氢缺陷反应

研究了非线性光学晶体材料KH2 PO4(KDP)中不同带电状态的H缺陷的稳定性及其反应 .从而以清晰的物理图像描绘了KDP材料暴露在强紫外线或X射线下性能下降的原因 .研究发现 ,对于H间隙原子 ,当增加一个电子时 ,H间隙原子与主H原子发生作用 ,形成间隙H2 分子并产生一个H空位 ,而增加一个空穴时H间隙原子与临近的主O原子形成氢氧键 ,这两种带电态的H间隙原子均切断KDP材料中形成网络的氢键 ;对于H空位 ,增加一个空穴将导致形成“过氧化氢”桥结构 .这些结果在原子层次上清楚地解释了实验所建议的缺陷反应机制     

加载功率与壳温对AlGaN/GaN高速电子迁移率晶体管器件热阻的影响

结温是制约器件性能和可靠性的关键因素, 通常利用热阻计算器件的工作结温. 然而, 器件的热阻并不是固定值, 它随器件的施加功率、温度环境等工作条件的改变而变化. 针对该问题, 本文以CREE公司生产的高速电子迁移率晶体管(HEMT)器件为研究对象, 利用红外热像测温法与Sentaurus TCAD模拟法相结合, 测量研究了AlGaN/GaN HEMT器件在不同加载功率以及管壳温度下热阻的变化规律. 研究发现: 当器件壳温由80 ℃升高至130 ℃时, 其热阻由5.9 ℃/W变化为6.8 ℃/W, 增大15%, 其热阻与结温呈正反馈效应; 当器件的加载功率从2.8 W增加至14 W时, 其热阻从5.3 ℃/W变化为6.5 ℃/W, 增大22%. 对其热阻变化机理的研究发现: 在不同的管壳温度以及不同的加载功率条件下, 由于材料导热系数的变化导致其热阻随温度与加载功率的变化而变化.     

基于分子动力学的石墨炔纳米带空位缺陷的导热特性

空位缺陷石墨炔比完整石墨炔更贴近实际材料,而空位缺陷的多样性可导致更丰富的导热特性,因此模拟各种空位缺陷对热导率的影响显得尤为重要.采用非平衡分子动力学方法,通过在纳米带长度方向上施加周期性边界条件,基于AIREBO(adaptive intermolecular reactive empirical bond order)势函数描述碳-碳原子间的相互作用,模拟了300 K时单层石墨炔纳米带乙炔链上单空位缺陷和双空位缺陷以及苯环上单空位缺陷对其热导率的影响,利用Fourier定律计算热导率.模拟结果表明,对于几十纳米尺度范围内的石墨炔纳米带热导率,1)由于声子的散射集中和声子倒逆过程增强,与完美无缺陷的石墨炔纳米带相比,空位缺陷会导致石墨炔纳米带热导率的下降;2)由于声子态密度匹配程度高低的不同,相比于乙炔链上的空位缺陷,苯环的空位缺陷对石墨炔纳米带热导率影响更大,乙炔链上空位缺陷数量对石墨炔纳米带热导率的影响明显;3)由于尺寸效应问题,随着长度增加,石墨炔纳米带热导率会相应增大.本文的研究可为在一定尺度下进行石墨炔纳米带热导率的调控问题提供参考.     

Isotherms of thermal conductivity in PbTe-MnTe solid solutions

The temperature dependences of the thermal conductivity λ of PbTe-MnTe solid solutions (0–4 mol % MnTe) are measured in the range 170–670 K. The data obtained are used in constructing the isotherms of the lattice thermal conductivity λ_l and in estimating the effective cross section for phonon scattering by Mn impurity atoms. It is found that all the isotherms exhibit an anomalous increase in λ_l in the concentration range 1.25–2.0 mol % MnTe, which disagrees with the usually observed decrease in λ_l with an increase in the impurity concentration. It is assumed that the anomalous increase in λ_l manifests itself after attainment of the percolation threshold when a continuous chain of overlapping deformation fields produced by individual atoms (an infinite cluster) is formed in the crystal. In the crystal lattice, stresses are partly compensated and phonon scattering decreases. The assumption is made that the effect observed has a universal character.     

吸收辐射复合金刚石膜的制备及光学研究

采用微波等离子体化学气相沉积（MW-PCVD）和直流热阴极辉光放电等离子体化学气相沉积（DC-PCVD）两种方法相结合,制备出一种吸收辐射的复合金刚石膜,它对宽光谱范围的光辐射具有99%—99.2%的吸收率,同时具有较低的反射率和透过率.随着黑色吸收辐射金刚石层厚度的增加,复合金刚石膜的热导率将小幅度降低,但黑色金刚石膜层厚度小于15 μm时,复合金刚石膜的热导率都在16 W·cm^-1·K^-1以上,这满足吸收辐射复合金刚石膜的高导热需求.用热阴极DC-PCVD方 关键词： 吸收辐射 光学材料 金刚石 热导率     

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．     

纳米单原子链的热传导

根据Hardy能流密度公式、Kubo热导率公式,推导了纳米单原子链的热传导系数公式,并进行了数值计算.研究结果表明,纳米原子链的热传导系数小于无限长原子链的热传导系数,并且纳米原子链的长度越短,则热传导系数越小.这些现象可以作如下解释:原子链可以看作是一维晶格,格波在到达原子链端点时会发生反射,而改变了格波的能量传播方向,使能流密度降低,从而使纳米原子链的热导率小于无限长原子链的热导率.并且原子链越短,格波在到达原子链端点的过程中衰减越小,从而使反射格波的能流密度越接近于入射格波的能流密度,使能流密度更为降低,从而使纳米原子链的热导率更小.     

Effect of isotope doping on phonon thermal conductivity of silicene nanoribbons: A molecular dynamics study

Silicene, a silicon analogue of graphene, has attracted increasing research attention in recent years because of its unique electrical and thermal conductivities. In this study, phonon thermal conductivity and its isotopic doping effect in silicene nanoribbons(SNRs) are investigated by using molecular dynamics simulations. The calculated thermal conductivities are approximately 32 W/mK and 35 W/mK for armchair-edged SNRs and zigzag-edged SNRs, respectively, which show anisotropic behaviors. Isotope doping induces mass disorder in the lattice, which results in increased phonon scattering, thus reducing the thermal conductivity. The phonon thermal conductivity of isotopic doped SNR is dependent on the concentration and arrangement pattern of dopants. A maximum reduction of about 15% is obtained at 50% randomly isotopic doping with ~(30)Si. In addition, ordered doping(i.e., isotope superlattice) leads to a much larger reduction in thermal conductivity than random doping for the same doping concentration. Particularly, the periodicity of the doping superlattice structure has a significant influence on the thermal conductivity of SNR. Phonon spectrum analysis is also used to qualitatively explain the mechanism of thermal conductivity change induced by isotopic doping. This study highlights the importance of isotopic doping in tuning the thermal properties of silicene, thus guiding defect engineering of the thermal properties of two-dimensional silicon materials.     

Effect of phonon scattering mechanisms on the lattice thermal conductivity of skutterudite-related compound

We have prepared the skutterudite-related compounds FeCo_3Sb_{12} and La_{0.75}Fe_3CoSb_{12} with different average grain sizes (about 0.8 and 3.9μm) by hot pressing. Samples were characterized by XRD, EPMA and SEM. The lattice thermal conductivity was investigated in the temperature range from room temperature to 200℃. Based on the Debye model, we analyse the change in lattice thermal conductivity due to various phonon scattering mechanisms by examining the relationship between the weighted phonon relaxation time τ(ω/ω_D)^2 and the reduced phonon frequency ω/ω_D. The effect of grain boundary scattering to phonon is negligible within the range of grain sizes considered in this study. The large reduction in lattice thermal conductivity of FeCo_3Sb_{12} compound contributes to the electron－phonon scattering. As for La_{0.75}Fe_3CoSb_{12} compound, the atoms of La filled into the large voids in the structure of the skutterudite produce more significant electron－phonon scattering as well as more substitute of Fe at Co site at the same time. Moreover, the point-defect scattering appears due to the difference between the atoms of La and the void. In addition, the scattering by the rattling of the rare-earth atoms in the void is another major contribution to the reduced lattice thermal conductivity. Introducing the coupling of the electron－phonon scattering with the point-defect scattering and the scattering by the rattling of the rare-earth atom is an effective method to reduce the lattice thermal conductivity of the skutterudite-related compounds by substitution of Fe for Co and the atoms of La filled in the large voids in the skutterudite structure.     

Effect of porosity on the thermoelectric efficiency of PbTe

The effect of electron and phonon scattering on nanometer-sized pores on the thermoelectric properties of lead telluride has been studied theoretically. Estimations show that the thermoelectric efficiency can increase by 20–25% at room temperature and by 5–10% at 600 K at the optimal pore size of several nanometers and the porosity of ~10%. An analysis shows that the increase in the thermoelectric efficiency due to additional scattering in the porous material is related to the decrease in the thermal conductivity of the lattice and the increase in the thermoelectric coefficient due to the change in the energy dependence of the relaxation time. To estimate the multiple scattering at high pore concentration, the lattice thermal conductivity by the molecular-dynamics method and the electron free paths in a coherent potential approximation were calculated. It is shown that the inclusion of the multiple scattering slightly influences the thermoelectric properties at noted sizes and pore concentrations.     

Ag-ZnO纳米复合热电材料的制备及其性能研究

ZnO是一类具有潜力的热电材料, 但其较大声子热导率影响了热电性能的进一步提高. 纳米复合是降低热导率的有效途径. 本文以醋酸盐为前驱体, 溶胶-凝胶法制备了Ag-ZnO纳米复合热电材料. 扫描电镜照片显示ZnO颗粒呈现多孔结构, Ag纳米颗粒分布于ZnO的晶粒之间. Ag-ZnO纳米复合材料的电导率比未复合ZnO材料高出100倍以上, 而热导率是未复合ZnO材料的1/2. 同时, 随着Ag添加量的增加, 赛贝克系数的绝对值逐渐减小. 综合以上原因, 添加7.5%mol Ag的Ag-ZnO纳米复合材料在700 K时的热电优值达到0.062, 是未复合ZnO材料的约25倍. 在ZnO基体中添加导电金属颗粒有利于产生导电逾渗通道, 提高材料体系的电导率, 但同时导致赛贝克系数的绝对值减小. 总热导率的差异来源于声子热导率的差异. 位于ZnO晶界的纳米Ag颗粒, 有利于降低声子热导率. 关键词： 热电材料 ZnO 纳米复合 热导率