二维Mo2C的晶格热导率的第一性原理研究

Mo2C是构建Mxene基器件的重要材料之一,对Mo2C二维材料声子输运的理解非常必要。文章结合第一性原理方法和声子玻尔兹曼输运方程,研究了二维Mo2C材料的晶格热导率。研究表明,室温下二维Mo2C导热系数非常低,其锯齿方向和扶手椅方向的晶格热导率分别为7.20 和 5.04 W/mK。计算了声学振动和光学振动模式对晶格热导率的贡献,揭示总热导率主要由面内声学横波的振动模式所贡献。还进一步计算了声子群速度、声子弛豫时间、三声子散射空间和模式格林艾森参数,发现二维Mo2C中的声子群速度和声子弛豫时间对晶格传输有重要的影响。     

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.     

单壁碳纳米管晶格热导率的理论计算

基于线性波尔兹曼输运方程和碳纳米管的色散关系,本文研究了声子散射的Umklapp和Normal过程同时存在时单壁碳纳米管的晶格热导率,以及温度、管长和管径对它的影响.结果表明:N过程的影响在高温不能忽略;对(10,0)管而言,在低温下其导热率随温度升高迅速增大,在90 K附近达到最大值,然后逐渐开始下降;热导率与管长L的关系是κ∝ L1/2;在相同管长和温度下,热导率随管径的减小而增大.     

二维MoS2/MoSe2异质材料的电子结构和热电性质研究

利用密度泛函理论结合玻尔兹曼输运理论计算体相和双层二维MoS₂/MoSe₂异质材料的热电性质. 计算表明,体相MoS₂/MoSe₂异质材料的热电性质比之于MoSe₂会有较大程度的提高. 该异质材料热电性质的提高主要源于异质材料本身带隙的减小以及层间的范德瓦尔斯相互作用. 二维MoS₂/MoSe₂异质材料存在热电应用的可能性.     

β型锑烯热电输运性质的第一性原理研究

利用第一性原理与半经典玻尔兹曼方程,计算并分析β型锑烯的声子色散、声子群速度、声子弛豫时间、晶格热导率及不同温度下的塞贝克系数、电导率和电子热导率随化学势的变化;结果表明：β型锑烯由于非平面六角结构,三支声学声子在Γ点附近均呈线性变化;声学声子对整个晶格热导率的贡献高达96.68%,而光学声子仅仅占到3.32%;由于较大的声光带隙（a-o gap）导致LA支在声子群速度和弛豫时间中占据主导地位,从而增大了LA支声子对整个热导的贡献;热电优值随温度的升高而增大,在费米面附近其绝对值最大可达0.275.     

随机硅–锗超晶格高通量筛选和热导率优化

低维热电材料往往可以通过降低声子热导率实现其热电性能的提升。由两种材料交替生长获得的超晶格薄膜较单一材料薄膜具有更低的热导率,通过改变材料的厚度排布,随机排列的非周期性超晶格甚至可以实现更低的热导率。本文基于非平衡分子动力学模拟计算了硅和锗薄膜热导率和非对称界面热阻,构建了随机硅–锗超晶格热导率的数值拟合等效介质模型。引入邻间因子和修正函数后,获得了可以更为准确预测随机排列硅–锗超晶格热导率的修正等效介质模型。将此模型与遗传算法相结合,可以对大量随机超晶格结构进行高通量筛选,实现了热导率的快速优化。结果表明,即使总厚度大的超晶格最低热导率仍能维持在1.4～1.8 W·m^-1·K^-1,平均周期厚度稳定在2.0～2.5 nm。     

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...     

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     

Y3Al5O12的热输运性质的第一性原理研究

基于密度泛函微扰理论（DFPT）结合模守恒赝势方法进行晶格动力学模拟.得到了钇铝石榴石（YAG）的声子态密度、分波声子态密度和声子的色散谱.利用第一Brillouin区的特殊点取样方法,计算了YAG的比热容和布局数平均的声子群速度.在非谐相互作用下,利用Fermi黄金公式结合第一Brillouin区的特殊点取样方法,得出了YAG非谐声子平均自由程.综合考虑了两种声子散射机制,得到了YAG陶瓷的热导率.结果表明,对于YAG陶瓷,在低温时,晶界散射将对热阻起主要作用;在高于一定温度时,三声子相互作用对热阻的贡献将占主导地位.同时也从理论上证明了Sato等提出的在室温以上,YAG陶瓷与单晶的热导率的差异可以忽略的观点.所得到的热导率、比热容随温度的变化与实验结果很好地符合. 关键词： 声子平均自由程 密度泛函微扰理论 3Al₅O₁₂声子结构')" href="#">Y₃Al₅O₁₂声子结构 热导率     

基于第一性原理的Mn纳米线掺杂二维SnSe热电性能研究

本文提出了一种在二维SnSe中掺杂一维Mn纳米线的2D-1D复合结构,并系统地研究了其热电性能。结果表明,一维Mn纳米线将电子态汇聚在纳米线附近,提高了材料的各向异性,降低了电子在某一方向上的散射效应,导致了较高的迁移率和电导率。自旋向上和向下的电子态发生简并,导致了较高的塞贝克系数和电导率。此外,Mn纳米线将晶格热导率降低了约0.17 W·m^?1·K^?1。在200至650 K的温度范围内,3Mn-SnSe具有0.73至3.78的极高ZT值,比本征二维SnSe平均提高了约39.2%。     

基于第一性原理的Mn纳米线掺杂二维SnSe热电性能研究

本文提出了一种在二维SnSe中掺杂一维Mn纳米线的2D-1D复合结构,并系统地研究了其热电性能。结果表明,一维Mn纳米线将电子态汇聚在纳米线附近,提高了材料的各向异性,降低了电子在某一方向上的散射效应,导致了较高的迁移率和电导率。自旋向上和向下的电子态发生简并,导致了较高的塞贝克系数和电导率。此外,Mn纳米线将晶格热导率降低了约0.17 W·m^?1·K^?1。在200至650 K的温度范围内,3Mn-SnSe具有0.73至3.78的极高ZT值,比本征二维SnSe平均提高了约39.2%。     

二维单层Ca_(2)N声子谱和热力学性质的第一性原理研究

开发具有优异性能的可充电二次化学电池材料是解决当今社会所面临能源危机问题的有效途径之一。钠离子电池因为具有原材料储量丰富和价格低廉的优势而被视为替代锂离子电池的最优候选材料。最近的研究表明,二维单层电子化合物Ca_(2)N是良好的钠离子电池负极候选材料。然而,当前研究多集中于块体Ca_(2)N的物性,二维单层Ca_(2)N基本物性的研究还比较缺乏。鉴于此,本工作基于第一性原理计算方法详细研究了单层Ca_(2)N的晶格振动特性,确定了其光学振动模式的频率值、简并度和对称性,并通过声子态密度展示了不同类型原子在不同频率范围的贡献大小。最后,还基于声子谱计算了该材料的声子振动自由能、熵和等体积摩尔热容量等基本热力学性质,并与单晶Ca_(2)N进行了对比分析。本工作对于实验研究者设计具有优异性能的类似结构金属离子电池负极材料具有一定参考价值和理论指导意义。     

IrTi合金晶格动力学的第一性原理研究

利用密度泛函理论的平面波赝势方法研究了IrTi合金的晶格动力学行为. 声子谱计算表明四方(L1₀)结构动力学不稳定,通过冷冻不稳定声子模式, 发现IrTi会发生从四方(L1₀)到正交的结构相变.进一步分析软模对应的原子振动, 得到了具有正交对称性,空间群为Cmmm,相对于四方(L1₀)相能量更低、更稳定的结构. 这种正交新相(Cmmm)弹性稳定和动力学稳定,而且其结构参数与实验上观察到的低温结构有限的晶格参数相符合,表明IrTi合金的低温相是正交结构(Cmmm). 从理论上肯定了IrTi合金立方到四方再到正交的相变机制, 解决了实验上关于相变机制和低温相结构形式的争议.     

MgB2混合态热导率的反常增强

测量了MgB₂多晶样品的混合态热导率，磁场强度为0—7 T，温度范围为5—45 K .实验结果显示MgB₂热导率在低场下迅速上升，高场下趋于饱和，这与MgB₂的 二能隙电子结构有关.对实验结果的分析指出，低温强场下MgB₂多晶样品热导率的显著增强无法完全 用电子热导来解释，并对此进行了讨论. 关键词： 2')" href="#">MgB₂ 热导率 混合态     

固体微/纳米尺度传热理论研究进展

随着半导体技术的飞速发展,器件的尺寸已进入到微/纳米尺度。由于量子效应、表面及界面效应,使得微尺度下的热物性与宏观尺度下有了明显的区别。人们针对微观传热领域的特点,发展了声子玻尔兹曼传输方程、分子动力学等方法,取得了一定的成果,但仍存在不少问题。一些基础概念问题,特别是非平衡态下的局域温度的定义,有待澄清。本文主要回顾近年来微/纳米尺度传热在理论和数值模拟方面的进展,以及目前所面临的挑战和问题。     

固体微/纳米尺度传热理论研究进展

随着半导体技术的飞速发展,器件的尺寸已进入到微/纳米尺度。由于量子效应、表面及界面效应,使得微尺度下的热物性与宏观尺度下有了明显的区别。人们针对微观传热领域的特点,发展了声子玻尔兹曼传输方程、分子动力学等方法,取得了一定的成果,但仍存在不少问题。一些基础概念问题,特别是非平衡态下的局域温度的定义,有待澄清。本文主要回顾近年来微/纳米尺度传热在理论和数值模拟方面的进展,以及目前所面临的挑战和问题。     

高温高压下铁热导率的第一性原理研究

铁在高压高温下的热导率是研究地球动力学和热演化的关键参数.在以往的研究中,铁的热导率主要归结于电子热导率,我们发现铁在高压下晶格振动对热导率的贡献不可忽略.本文利用晶格动力学和玻尔兹曼输运理论计算了铁的声子色散、Hugoniot状态方程和热导率.预测了铁在核幔边界附近温度约为3500K,在地球内核边界条件约为6500K.考虑晶格振动的热导率在地球核幔边界附近为112W/m K,在内核边界条件约为200W/mK.     

Mo2C膜表面快速粗糙化现象研究

介绍了Mo₂C膜表面粗糙度的测量结果,引入晶粒边界修正,对Mo₂C 膜的表面快速粗糙化现象给予理论解释. 关键词： 2C膜')" href="#">Mo₂C膜 快速粗糙化 粗糙化指数     

A15 型 Nb3Al 晶格相变与热力学性质的第一性原理计算

A15 型 Nb3 Al 金属间化合物与 Nb3Sn 类似, 但其具有更好的应力应变容许特性和高场临界电流密度(J c ) . 由于 Nb3 Al 晶格原子排列的有序度较差, 其超导性能对晶格完整性不敏感, 且 Al 含量对 Nb3 Al 成相及 Tc有较大的影响. 因此对相结构的研究对 Nb3 Al 超导性及热学性质的影响具有理论和实际意义. 本文采取第一性原理以及热力学理论计算方法, 对 Nb3 Al 的结构进行晶格相结构转变、 原子位移以及热力学性质等系统计算研究. 结果发现晶格相结构转变的势垒高于原子的位移势垒, 且晶格相结构的转变温度高于 Nb3 Al 的熔化温度. 与 Nb 原子扩散位移相比,Al 原子具有更低的位移势垒, 且 Al 原子的“位移温度”低于熔化温度, 为1070 K. 对于 Nb 原子位移势垒, 通过统计方法得到 Nb 原子的“位移温度”为2333 K, 与实验中得到的 Nb3 Al 熔化温度2306 K 吻合较好,此计算结果表明高温下 Nb3 Al 的制备主要体现为 Al 原子的位移, 而 Nb 原子对该化合物的相结构稳定性具有更重要作用. 计算结论为更好地理解 Nb3 Al 制备过程中微观结构演化及扩散反应提供一定的理论依据.