石墨烯中孤子的動(dòng)力學(xué)行為及其對(duì)晶格熱傳導(dǎo)性質(zhì)的影響.pdf

1、本文主要研究了石墨烯中孤子的動(dòng)力學(xué)行為及其對(duì)熱學(xué)性質(zhì)的影響。石墨烯作為人工制造的二維材料,不僅為低維系統(tǒng)的理論研究提供了真實(shí)模型,而且由于其獨(dú)特的電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)特性,在新型器件和材料的開發(fā)上具有廣闊的前景。相比較傳統(tǒng)材料而言,石墨烯具有的極高熱導(dǎo)率,這一點(diǎn)近年來(lái)引起了實(shí)驗(yàn)和理論研究方面越來(lái)越多的重視。在低維材料中,孤子通常被認(rèn)為對(duì)熱學(xué)性質(zhì)具有重要的影響。因此,研究石墨烯中是否存在孤子以及孤子對(duì)熱學(xué)性質(zhì)的影響在理論上和應(yīng)用上具有重要意義

2、。另一方面,低維材料可能存在的熱整流現(xiàn)象因?yàn)槠渲匾膽?yīng)用前景,逐漸成為物理學(xué)中的研究熱點(diǎn)之一。實(shí)現(xiàn)石墨烯中的熱整流對(duì)于研究基于石墨烯的微納米器件具有深刻影響,但是目前石墨烯中的熱整流現(xiàn)象卻還沒(méi)有被充分揭示和研究。
　　 本文首先通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法,以類似模擬退火的方式,觀察到石墨烯中的一系列不同類型的孤子。然后通過(guò)數(shù)學(xué)解析的方法,推導(dǎo)出描述石墨烯動(dòng)力學(xué)的非線性薛定諤(NLS)方程,并證明在一定條件下的確可以得到在分子動(dòng)力學(xué)

3、模擬中觀察到的一類典型孤子所對(duì)應(yīng)的解。這類孤子屬于亞聲速孤子,它們?cè)趥鞑ミ^(guò)程中保持能量動(dòng)量以及形狀不變,在相互碰撞后仍然能保持各自的內(nèi)稟屬性,同時(shí)在碰撞過(guò)程中產(chǎn)生孤子相移。這類孤子的出現(xiàn)只需要較低能量的激發(fā),因此在常溫下可能會(huì)對(duì)石墨烯的熱學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生可觀察的影響。孤子的存在為石墨烯的高熱導(dǎo)現(xiàn)象提供了一種可能的微觀解釋機(jī)制。進(jìn)而研究了這類孤子與質(zhì)量界面(兩邊分別由不同質(zhì)量的碳原子所組成的界面)的散射性質(zhì)。在合理定義了孤子的能量、動(dòng)量以后,得

4、到相應(yīng)的動(dòng)量和能量的反射率。而孤子的能量反射率對(duì)質(zhì)量界面具有對(duì)稱性,也就是,無(wú)論孤子從質(zhì)量密度大的介質(zhì)入射質(zhì)量密度小的介質(zhì),還是從質(zhì)量密度大的介質(zhì)入射質(zhì)量密度小的介質(zhì),孤子具有相同的能量的反射率。同時(shí)由于聲子對(duì)這種界面的散射也具有對(duì)稱性,因此上述結(jié)論意味著,石墨烯中質(zhì)量界面散射不會(huì)導(dǎo)致熱整流效應(yīng)。這一點(diǎn)被本文直接的分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算所證實(shí),同時(shí)還進(jìn)一步證實(shí)了質(zhì)量密度以梯度分布的石墨烯也不會(huì)具有熱整流效應(yīng)。本文針對(duì)一種特殊的構(gòu)型的石墨烯,即非