嵌入线型缺陷的石墨纳米带的热输运性质

采用非平衡格林函数方法研究了嵌入有限长、半无限长、 无限长线型缺陷的锯齿型石墨纳米带 (ZGNR)的热输运性质.结果表明, 缺陷类型和缺陷长度对ZGNR的热导有重要影响. 当嵌入的线型缺陷长度相同时, 包含t5t7线型缺陷的石墨纳米带比包含Stone-Wales线型缺陷的条带热导低. 对于嵌入有限长、同种缺陷的ZGNR, 其热导随线型缺陷的长度增加而降低, 但是当线型缺陷很长时, 其热导对缺陷长度的变化不再敏感.通过比较嵌入有限长、半无限长、无限长线型缺陷的ZGNR, 我们发现嵌入无限长缺陷的条带比嵌入半无限长缺陷的条带热导高, 而后者比嵌入有限长线型缺陷的条带热导高. 这主要是因为在这几种结构中声子传输方向的散射界面数不同所导致的. 散射界面越多, 对应的热导就越低. 通过分析透射曲线和声子局域态密度图, 解释了这些热输运现象. 这些研究结果表明线型缺陷能够有效地调控石墨纳米带的热输运性质. 关键词： 石墨烯 线型缺陷 热导     

物质动态结构的非弹性散射研究

在静态结构的基础上 ,考虑原子的振动 ,分子键的振动、转动和振—转运动的结构称为动态结构 ,它是用非弹性散射方法来测定的。本文评述研究动态结构的实验方法 :中子非弹性散射、非弹性X射线散射、核非弹性散射和Raman散射以及红外吸收谱。简单介绍了声子散射理论基础。继后 ,分三节描述了用这些方法来研究动态结构的若干结果。 1 )结晶物质 ,包括晶内、表面和界面、高纯近完整晶体中杂质引起的、多晶中、薄膜和纳米晶体中的点阵动力学研究 ;2 )非晶物质 ,包括非晶固体、高聚合物、生物大分子、准晶和液体的动态结构研究 ;3 )高温超导体的点阵动力学研究。文末给出了小结和最后评论。     

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。     

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     

低维微纳尺度体系声子热传导和热调控:来自芯片散热的非平衡统计物理问题

半导体芯片发展路线图上的一个障碍是“热死(heat death)”,也就是大量热量的产生而导致芯片被烧毁.所以散热问题成为进一步发展半导体工业亟待解决的关键问题.芯片里的热传导包含一维和二维材料中声子热传导以及声子通过不同材料间的界面热传导.本文总结了过去30年来一维、二维和界面声子热传导的主要理论和实验进展,重点介绍了一维体系声子热传导发散的物理机制以及反常热传导和反常扩散之间的关系.本文还简要讨论了与此相关的非平衡态统计物理的基本问题:从给定的哈密顿量出发是否能够推导出宏观输运行为.本文从微观图像的角度讨论了调控声子热传导的几种方法:纳米声子晶体,纳米热超材料,界面和声子凝聚等.为了让读者全面了解声子热传导,还简要地介绍了其他声子热输运现象,包括热导量子化、声子热霍尔效应、手性声子,以及声子与其他载流子之间的相互作用.最后,本文讨论了声子热传导研究面临的挑战和机遇,包括声子在量子信息和技术中的潜在应用.     

带孔硅纳米薄膜热整流及声子散射特性研究

本文基于非平衡的分子动力学模拟方法计算了带有三角形孔的硅纳米薄膜的界面热阻特性,结果表明300-1100 K范围内随着热流方向的改变,在含有三角形孔的硅纳米薄膜中存在热整流效应,热整流系数达28％.同时借助于声子波包动力学模拟方法,获得了不同频率下的纵波声子在三角形孔处的散射特性,结果表明纵波声子在散射过程中产生了横波声子,并且从三角形底部向顶部入射的声子能量透射系数比反向时平均低22％.不对称结构引起的声子透射率的差异是引起热整流效应的主要因素.     

物质动态结构的非弹性散射研究

在静态结构的基础上，考虑原子的振动，分子键的振动、转动和振－振运动的结构称为动态结构，它是用非弹性散射方法来测定的。本文评述研究动态结构的实验方法：中子非弹性散射，非弹性X射线散射、核非弹性散射和Raman散射以及红外吸收谱。简单介绍了声子散射理论基础，继后，分三节描述了用这些方法来研究动态结构的若干结果。1）结晶物质，包括晶内，表面和界面，高纯近完整晶体中杂质引起的，多晶中、薄膜和纳米晶体中的点阵动力学研究；2）非晶物质，包括非晶固体，高聚合物，生物大分子，准晶和液体的动态结构研究；3）高温超导体的点阵动力学研究，文末给出了小结和最后评论。     

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.     

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     

并苯分子结的热电性质

通过运用非平衡格林函数方法,研究了基于并苯连接石墨烯纳米带的分子结的热电性质.主要考虑了并苯分子长度、并苯分子与石墨烯纳米带电极的接触位置对并苯分子结热电参量的影响.结果发现并苯分子结最大热电优值(ZTmax)对应的热导中声子贡献往往占据主导地位.当并苯分子的长度增加,声子热导单调减少,最终变得与并苯分子长度几乎无关.当并苯分子与石墨烯纳米带左(右)电极的中(上)部接触时,对应的ZTmax是最高的,然而当并苯分子与石墨烯纳米带左(右)电极的中(中)部接触时,对应的ZTmax是最低的.当温度增加时, ZTmax有单调增加的趋势,无关于接触位置.随着并苯分子长度的增加, ZTmax对应化学势的位置越靠近本征费米能级.以上发现能对未来设计基于并苯分子结的热电器件提供有价值的参考.     

带串联三角形孔的氮化硼纳米带的热整流效应

采用非平衡分子动力学方法,模拟了含有三角形孔的氮化硼纳米带(BNNR)不同方向的热导率和热整流效应;采用声子波包方法,分析了热整流机理;并结合正交试验设计,考察了温度、串联孔数和三角形孔边长的影响。研究结果表明;带孔纳米带的热导率低于完整纳米带;氮化硼纳米带从三角形孔的顶角到底边的导热能力强于相反方向的,三角形结构所造成的声子透射率差异是产生整流效应的主要原因;随着孔数的增多,热整流效应增强,但由于多孔界面间相互反射的影响,其增强趋势逐渐减缓;随着孔边长的增大,界面散射影响增加,热整流效应明显增强;孔边长因素比孔数对热整流效应的影响更大。     

石墨烯/碳化硅异质界面热学特性的分子动力学模拟

为了调控石墨烯/碳化硅异质界面传热特性,采用非平衡态分子动力学方法研究温度、尺寸、材料缺陷率对界面热导的影响,通过声子态密度和声子参与率对界面热导变化的原因进行阐述分析.研究表明:两种界面作用力下界面热导均随温度升高而增大,但共价键的异质界面热导要高于范德瓦耳斯作用力下的界面热导.异质界面的界面热导随着碳化硅层数的增加而降低,当层数从10层增加到20层时,界面热导下降30.5%;4层时异质结构界面热导最低,分析认为中低频段更多的声子从局域进入离域模式.空位缺陷的引入可以有效地提高界面热导,随着碳化硅和石墨烯缺陷率的增加,界面热导均先升高再降低.300 K时当碳化硅和石墨烯缺陷率分别为20%和35%时界面热导达到最大值,分析认为缺陷的引入会阻碍中频声子的热输运.研究结果揭示可以通过尺寸效应和空位缺陷来进行异质界面的改性研究,有利于第三代半导体微纳器件的设计和热管理.     

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     

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.     

旋声晶体NaBrO_3与NaClO_3的弹性研究

用中子相干非弹性散射、沿三个主晶轴方向测量了同构异质晶体NaBrO_3和NaClO_3的声子色散关系。从小波矢区的实验结果获得了沿晶体这些方向的弹性波速及三个独立的弹性常数C_(11),C_(12),C_(44)。实验结果表明,尽管这两种晶体在旋声方面表现出十分不同的特性,但是,它们的左旋和右旋圆偏振声子的声速都是在一个特定的平均速度v_(T_D)上下均衡的分布,这个平均速度可由其它方向的弹性波速或零级近似的弹性常数唯一确定。即Portigal理论的这一预言获得了实验上的明确证据。     

氮化铀热中子截面的第一性原理计算

氮化铀（UN）因其较好的热物性和耐事故容错性成为先进动力堆的候选燃料,但目前热能区缺少可靠的UN热中子截面数据,这对于热中子反应堆物理计算是很不利的.本文基于量子力学的第一性原理,利用VASP/PHONON软件模拟计算了UN的声子态密度,以此为积分得到UN的定容比热容,并基于新制作的声子态密度,采用核截面处理程序NJOY/LEAPR,利用热中子散射理论,得到UN的S（α,β）数据,进而研究UN的热中子散射截面,并与传统压水堆的二氧化铀（UO₂）进行对比.结果表明：优化的晶格参数与数据库符合较好,UN声子态密度的声子项和光子项较UO₂的分隔更加明显,定容比热容计算结果与实验值一致,基于该声子态密度计算得到的UN中²³⁸U的非弹性散射和弹性散射截面比相同温度下UO₂中²³⁸U小,UN中N仅考虑了非相干散射部分,随着温度升高,UN弹性散射截面变小,非弹性散射变大,并在高能段趋于自由核散射截面.本文的研究结果填补了UN热中子截面数据的缺失,为下一步系统研究UN燃料在轻水堆中的中子学性能奠定了基础.     

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。     

热激发效应对界面摩擦的影响

论文主要从微观角度研究摩擦热产生的机理及摩擦热对摩擦性能的影响. 依据固体物理学中原子热振动理论, 以界面摩擦为研究对象, 从分析界面原子的受迫振动出发, 得出界面摩擦过程中原子的振动实际上是自激振动和受迫振动的叠加, 界面原子在非平衡状态下的热振动将导致声子的激发和湮灭, 进而导致摩擦热的产生, 摩擦界面的温度升高. 然后, 从温度对界面原子能级分布和跃迁的影响角度探讨了热激发效应对界面摩擦的影响, 分析得出如下结论: 温度低时, 界面原子处在激发态的概率随着温度的升高而增加, 导致摩擦系数随温度增加而增加; 温度在100 K附近界面原子处在激发态的概率出现峰值, 导致摩擦系数出现峰值; 当温度高于临界值后, 摩擦系数随温度的升高反而会降低. 最后将本文的理论分析的结果与他人的实验结果对比, 显示两者的趋势一致, 表明本文提出的理论和方法可行.     

纳米晶锐钛矿相TiO2的非简谐效应和声子局域

对晶粒尺寸为19.4,8.6和5.6 nm的纳米晶锐钛矿相TiO2,进行了从83到723 K的变温拉曼散射测量,并对Eg(1)模式进行了详细研究.根据非简谐效应和声子局域模型,对Eg(1)拉曼峰进行了拟合与计算.结果表明,以上三种纳米晶粒的晶格振动机理,在本质上是相同的.三声子过程对频率蓝移起主要作用.为了得到很好的拟合,需要同时考虑三声子和四声子过程.随着温度的升高,四声子过程增强,并对三声子过程起抵消作用.与非简谐衰减相关的声子寿命随着晶粒尺寸的减小而增加,晶粒尺寸越小衰减越慢.在低温区,声子局域是导致5.6 nm晶粒的声子寿命非常短的原因.声子局域引起Eg(1)模式在高波数段非对称展宽和频率蓝移,其对Eg(1)峰展宽的影响要大于对峰位移动的影响.     

L型石墨纳米结的热输运

利用非平衡格林函数方法研究了由半无限长扶手椅型和锯齿型边界石墨纳米带连接而成的L型石墨纳米结的热输运性质.结果表明,L型石墨纳米结的热导依赖于L型石墨纳米结的夹角和石墨纳米带的宽度.在L型石墨纳米结的夹角从30°增加到90°再增加到150°过程中,其热导显著增大.夹角为90°的L型石墨纳米结的热导随着扶手椅型纳米带宽度增加时,在低温区热导随着宽度的增大而降低,在高温区热导随宽度的增大而升高.对于夹角为150°的L型石墨纳米结,其热导无论是在低温区还是在高温区都随着锯齿型纳米带宽度的增加而降低.利用声子透射谱对这些热输运现象进行了合理的解释.研究结果阐明了不同L型石墨纳米结中的热输运机理,为设计基于石墨纳米结的热输运器件提供了重要的物理模型和理论依据. 关键词： 石墨纳米结 热输运 热导