二維硅納米材料熱輸運性質(zhì)及其調(diào)控.pdf

1、最近，一種類石墨烯結(jié)構(gòu)的二維硅納米材料——硅烯，從理論預(yù)測到實驗合成得到廣泛的研究。不同于石墨烯的平面六角結(jié)構(gòu)，硅烯具有低的buckling六角結(jié)構(gòu)。不同于石墨烯的多層堆垛形成石墨結(jié)構(gòu)，其層間僅存范德瓦爾斯作用，也無表面重構(gòu)。硅烯的多層堆垛結(jié)構(gòu)豐富，其層間存在強的共價鍵作用，并且具有明顯的表面重構(gòu)。這些二維硅納米材料其具有優(yōu)異的物理性能，在微電子、新能源等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。熱輸運性質(zhì)是二維硅納米材料的一個重要的基本屬性。而由于實驗

2、條件的限制，理論模擬也處于起步階段，人們對二維硅納米材料熱傳導(dǎo)機制認(rèn)識不清晰，對其熱輸運性質(zhì)的調(diào)控手段也較為匱乏。因此，本論文中我們基于分子動力學(xué)模擬，系統(tǒng)開展了二維硅納米材料熱輸運性質(zhì)及其調(diào)控的研究。本論文的具體要點如下：
　　1.介紹了對硅基納米材料的分類及發(fā)展歷程，側(cè)重闡述了對二維硅納米材料熱輸運性質(zhì)研究的重要性。
　　2.詳細(xì)介紹了分子動力學(xué)的發(fā)展及其基本概念，計算模擬的大致流程及作用勢的選取和兩類典型的非平衡態(tài)方法

3、對熱輸運性質(zhì)的模擬，同時介紹了利用分子動力學(xué)模擬來計算聲子譜的方法。
　　3.我們采用外加溫度梯度的NEMD方法模擬計算了硅烯在光滑的h-BN襯底及h-BN三明治結(jié)構(gòu)下熱導(dǎo)隨長度變化的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)硅烯熱導(dǎo)?與長度的關(guān)系滿足??L?。同時發(fā)現(xiàn)h-BN界面耦合作用可使?顯著增大，表明硅烯聲子的彈道輸運特性在襯底作用下得到了增強。對于放置在h-BN襯底上的情形，我們發(fā)現(xiàn)?增大主要來源于h-BN作用使硅烯ZA聲學(xué)支的變化和光學(xué)支上移的共同作

4、用。而對于在h-BN三明治結(jié)構(gòu)的情形，硅烯聲子彈道熱輸運的增強主要歸因于層相互作用加強而導(dǎo)致所有聲學(xué)支的速度增大。
　　4.基于NEMD模擬，我們研究了層間具有共價鍵作用的多層硅熱輸運性質(zhì)與其表面重構(gòu)及厚度尺寸的關(guān)聯(lián)。我們首先發(fā)現(xiàn)雙層硅結(jié)構(gòu)因表面重構(gòu)結(jié)構(gòu)的差異使得其熱導(dǎo)率呈現(xiàn)顯著的各向異性和高熱導(dǎo)與低熱導(dǎo)的雙向性。繼而固定其表面結(jié)構(gòu)，研究了多層硅熱輸運隨其厚度的演化關(guān)系。發(fā)現(xiàn)隨著層數(shù)的增加而其熱導(dǎo)差異減小，同時各向異性逐步減小。當(dāng)