低維納米材料熱輸運(yùn)性質(zhì)的分子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、2004年，曼徹斯特大學(xué)的Andre Geim和 Kostya Novoselov帶領(lǐng)一批物理科學(xué)家利用三維的石墨剝離出了單層的石墨，即石墨烯。眾所周知，石墨烯是第一個(gè)二維的碳元素的同素異形體。隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，人們利用外延生長(zhǎng)法在碳化硅的表面制得石墨烯。石墨烯作為一種新穎的納米材料，它具有極高的電子遷移率、很好的彈道傳輸特性以及極大的Seebeck系數(shù)。這些表明石墨烯和石墨納米帶是納米電子學(xué)和熱電材料的理想選擇。然而在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得

2、到石墨烯具有很高的熱導(dǎo)率，這就使得它的熱電系數(shù)很低。因此，如何能夠盡最大效率的降低石墨烯的熱導(dǎo)率并且盡量保持它的電導(dǎo)率以及 Seebeck系數(shù)不受影響，是目前亟待解決的問(wèn)題。另外，聲子在石墨帶上的熱傳輸機(jī)制還沒(méi)有完全搞清楚。
　　第一章首先介紹一下研究低維納米材料的分類(lèi)及主要性能，然后介紹了研究低維納米材料熱傳輸性質(zhì)的重要性，隨后介紹一下石墨烯和納米碳管優(yōu)良的熱學(xué)性質(zhì)，最后給出了本文的主要研究?jī)?nèi)容。
　　第二章主要講述了分子

3、動(dòng)力學(xué)方法以及熱傳導(dǎo)的分子動(dòng)力學(xué)模擬。利用分子動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算納米材料的熱流、溫度分布以及熱導(dǎo)率。
　　第三章中，我們主要通過(guò)周期性缺陷以及引入 C60分子來(lái)調(diào)控低維納米材料的熱導(dǎo)率。首先研究了完美石墨帶和有缺陷石墨帶的熱導(dǎo)率。我們發(fā)現(xiàn)在石墨帶中引入周期性的缺陷，特別是正方形的缺陷，能夠有效的降低石墨帶的熱導(dǎo)率。有意思的是，隨著長(zhǎng)度的增加，完美石墨帶的熱導(dǎo)率逐漸增加，而具有缺陷石墨帶的熱導(dǎo)率幾乎不變。通過(guò)分析聲子平均自由程，我們發(fā)現(xiàn)

4、缺陷石墨帶的熱導(dǎo)率是由缺陷濃度決定的。這一結(jié)果有利于我們更好的了解聲子在石墨帶上的熱傳輸機(jī)制。此外，我們通過(guò)在納米碳管中引入 C60分子來(lái)控制碳管的熱導(dǎo)率。計(jì)算結(jié)果顯示，納米碳管的熱導(dǎo)率可以通過(guò)C60分子的數(shù)目來(lái)調(diào)節(jié)。隨著C60分子數(shù)目的增加，熱導(dǎo)率首先增加，然后呈現(xiàn)線性的遞減趨勢(shì)。這表明填充 C60分子的納米碳管可以作為很好的熱控制器。
　　第四章中，我們主要研究了節(jié)點(diǎn)以及邊界對(duì)石墨帶熱導(dǎo)率的影響。首先研究了完美石墨帶和鋸齒形狀

5、石墨帶的熱導(dǎo)率。鋸齒形狀石墨帶熱導(dǎo)率比完美石墨帶的要低很多。當(dāng)石墨帶長(zhǎng)度固定時(shí)，隨著片段石墨帶長(zhǎng)度的增加，熱導(dǎo)率首先急劇的下降，然后呈緩慢上升趨勢(shì)。我們將此現(xiàn)在歸結(jié)為以下兩個(gè)原因：邊界粗糙和節(jié)點(diǎn)影響。此外，通過(guò)系統(tǒng)地研究石墨帶和納米碳管的熱導(dǎo)率我們發(fā)現(xiàn)ZGNR的邊界有利于聲子的傳輸，而AGNR的邊界不利于聲子傳輸。這一觀點(diǎn)與我們普遍認(rèn)為的邊界不利于聲子傳輸這一觀點(diǎn)相違背。這對(duì)我們更好的理解聲子在石墨帶和納米碳管上的傳輸機(jī)制有很大的幫助。