低維納米結(jié)構(gòu)的熱輸運(yùn)性質(zhì)研究.pdf

1、低維納米結(jié)構(gòu)中的熱輸運(yùn)是一個(gè)極具理論意義和有著廣泛應(yīng)用價(jià)值的前沿課題。這方面的研究能幫助解決目前困擾集成電路發(fā)展的的散熱問題、指導(dǎo)和發(fā)現(xiàn)更為高效的隔熱材料、制備和合成高性能的熱電材料進(jìn)而緩解日益嚴(yán)重的能源問題、設(shè)計(jì)和構(gòu)造對(duì)熱量輸運(yùn)調(diào)控更具優(yōu)越性的熱控制器件。本文采用非平衡格林函數(shù)方法,對(duì)幾種典型低維納米結(jié)構(gòu)中的量子熱輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。為這些納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和物性調(diào)控提供了有益的理論指導(dǎo)和依據(jù)。本文主要內(nèi)容如下:
　　1、研究

2、了鋸齒型同位素超晶格石墨納米帶(IS-ZGNRs)中的熱輸運(yùn)性質(zhì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過同位素超晶格調(diào)制,鋸齒型石墨納米帶的熱導(dǎo)可以得到極大的降低。IS-ZGNRs的熱導(dǎo)強(qiáng)烈依賴于超晶格的長度和同位素的質(zhì)量差。隨著超晶格長度的減小,熱導(dǎo)會(huì)經(jīng)歷了一個(gè)先減小后增大的轉(zhuǎn)變。這一奇特的現(xiàn)象可以通過分析聲子透射系數(shù)獲得解釋。而同位素質(zhì)量對(duì)于熱導(dǎo)的影響卻是單調(diào)的。較大的質(zhì)量差會(huì)導(dǎo)致較小的熱導(dǎo)。此外,還討論了結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)熱導(dǎo)的影響。
　　2、石墨納米結(jié)是構(gòu)

3、造未來納米器件及納米回路的重要組成部分。采用非平衡格林函數(shù)方法,探索了三終端石墨納米結(jié)的的聲子學(xué)性質(zhì)。結(jié)果顯示熱流在非對(duì)稱三終端石墨納米結(jié)中更傾向于沿著從窄到寬的方向流動(dòng),展現(xiàn)了顯著的彈道熱整流效應(yīng)。其整流效率強(qiáng)烈地依賴于石墨納米結(jié)的非對(duì)稱性,并且會(huì)隨著左右熱極寬度差的增加而快速地增加。同時(shí),熱極間夾角的形狀也對(duì)熱整流效應(yīng)起了非常重要作用。通過定性的分析,我們解釋了非對(duì)稱石墨納米結(jié)中的熱整流機(jī)制。
　　3、基于折疊石墨納米帶,提出

4、了一種具有類似于電子電路中變阻器功能的熱導(dǎo)控制器。這種基本的熱元器件可以通過改變折疊石墨納米帶的幾何結(jié)構(gòu)來連續(xù)、可逆地調(diào)節(jié)熱導(dǎo),其調(diào)節(jié)范圍可以高達(dá)平整石墨納米帶熱導(dǎo)(-1nm寬7-15nm長)的40％左右。在這種結(jié)構(gòu)調(diào)制下,熱導(dǎo)線性依賴于折疊角度,并且會(huì)隨著層間距的變化呈現(xiàn)了一個(gè)轉(zhuǎn)變行為。該熱器件能在聲子回路及納米尺度的熱控制中發(fā)揮極其重要的作用。
　　4、前面的研究主要關(guān)注了石墨烯體系的熱輸運(yùn)性質(zhì)。采用非平衡格林函數(shù)方法,還研究

5、了六角氮化硼納米帶(BNNRs)的熱輸運(yùn)性質(zhì)。通過計(jì)算它的聲子譜和熱導(dǎo),發(fā)現(xiàn)BNNRs同樣擁有出色的熱輸運(yùn)性質(zhì)。其熱導(dǎo)可以與石墨納米帶的熱導(dǎo)相比擬,在室溫下前者甚至還能優(yōu)于后者。還擬合了用以描述 BNNRs熱導(dǎo)特征的公式,揭示了溫度的1.5次方關(guān)系在BNNRs熱輸運(yùn)中起的關(guān)鍵作用。此外,顯著的熱各向異性也在BNNRs中被觀察到。室溫下,鋸齒型BNNRs的熱導(dǎo)要比扶手椅型納米帶的熱導(dǎo)高出20%左右。
　　5、石墨炔,一種新型的碳同素

6、異形體,也是現(xiàn)今納米結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。對(duì)它的熱輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了探索。結(jié)果發(fā)現(xiàn)石墨炔的熱輸運(yùn)性質(zhì)只有石墨烯的40%左右。扶手椅型石墨炔納米帶(A-GYNRs)熱導(dǎo)呈現(xiàn)線性寬度依賴關(guān)系,而鋸齒型石墨炔納米帶(Z-GYNRs)熱導(dǎo)則表現(xiàn)了一個(gè)階梯狀的寬度依賴關(guān)系。同時(shí),A-GYNRs的熱輸運(yùn)性質(zhì)要優(yōu)于Z-GYNRs,展現(xiàn)出明顯的各向異性熱傳導(dǎo)性質(zhì)(兩倍高于石墨烯)。通過分析石墨炔納米帶的聲子色散關(guān)系,解釋了石墨炔中的熱各向異性。此外,還對(duì)