低维系统中声子弛豫过程与热输运关系研究

摘要

随着微电子加工技术的进步，材料逐步走向纳米尺度，从三维块体材料到二维平面材料如石墨烯、石墨炔和黑磷等，再到一维材料碳纳米管，以及零维纳米晶材料量子点等。在研究这些材料的热传输时，发现了与宏观材料非常不一样的输运性质，如反常热导效应、弹道输运性质以及热整流效应。这些现象产生的原因目前尚未明确，是众多研究者关注的热点。同时这些特殊的性质也具有极其丰富的应用，如将高热导率的材料运用于微处理器中可以有效地解决其散热问题，促使微处理器集成度进一步提升。而耐热的低热导率材料可以制成有效地隔热材料，保护长期工作于高温高压环境中的机器部件，延长其使用寿命，或用于建筑材料，有效隔热。热电效应实现了热能与电能的相互转化，有效地利用了能源，可以解决困扰全球的能源危机和环保问题。同时也可以运用热整流效应生产热流方向可控的热器件，使量子计算机成为可能。
　　所以希望通过对低维系统中的声子弛豫过程和热输运关系研究，对低维材料的结构与性质有进一步的了解。分子动力学方法是传统的热传导研究方法，而LAMMPS是成熟的分子动力学模拟工具。
　　宏观材料中，热传导遵循Fourier定律，但在低维系统中，热导率与系统尺度有一定的关系，称这样的现象为反常热输运。由经验可知材料中主要为非对称相互作用，所以研究非对称相互作用对反常热导的影响是我们的第一部分工作。选用经典Fermi-Pasta-Ulam模型，通过调控系数来改变非对称相互作用强度，在Nose-Hoover Chains热库作用下达到平衡，来求得声子寿命随非对称相互作用强度的变化关系。结果表明非对称相互作用强度越强，声子寿命越短，且声子频率向低频方向偏移。
　　除了非对称相互作用对热导率的影响之外，发现不同结构的石墨炔的热导率也存在差异。不同于石墨烯，石墨炔中键的种类更丰富，结构更多变，所以猜测炔键会影响系统的热导率。研究了五种不同结构的石墨炔与石墨烯的热导率，由结果可知随着炔键比例的增长，热导率出现衰减，这意味着可以通过调控炔键的比例来实现对热导率的调控，具有重要意义。为了解释这种现象形成的原因，紧接着又分析了碳的同素异形体的声子色散关系、群速度分布、振动态密度(VDOS)和通过晶格动力学方法得到的声子模式参与度，以及通过分子动力学计算从模式投影速度的分析中获得声子寿命，进一步分析了与结构有关的影响热传导现象的可能潜在机制。结果表明，随着炔键比例的增长，导致了声子模式局域化，由此提高了声子散射率并降低了声子群速度，因此声子寿命缩短，系统热导率降低。这个发现也为实验设计可调控的热电材料提供了一定的理论依据。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．3 课题来源及主要内容

参考文献

第二章 分子动力学计算热导率

2．1 引言

2．2 分子动力学方法

2．3 原子的振动和晶格的色散关系

2．4 LAMMPS软件

2．5 小结

参考文献

第三章 简单一维FPU模型的声子寿命

3．1 引言

3．2 模型

3．3 非对称势

3．3．1 Fermi-Pasta-Ulam势

3．3．2 Toda势

3．3．3 Lennard-Jones势

3．3．4 Morse势

3．3．5 其他势函数

3．4 热库

3．4．1 Andersen热库

3．4．2 Nose-Hoover热库

3．4．3 Nose-Hoover Chains热库

3．5 初步的结果与讨论

3．6 小结

参考文献

第四章 炔键对热导率的影响

4．1 引言

4．2 模型结构和计算方法

4．2．1 模型结构

4．2．2 计算方法

4．3 结果和讨论

4．3．1 不同重组结构的热导率的比较

4．3．2 声子色散和群速度

4．3．3 振动态密度和声子模参与度

4．3．4 声子寿命

4．3．5 石墨炔中热导率与长度的关系

4．4 总结

参考文献

第五章 总结和展望

5．1 总结

5．2 展望

研究生期间发表的论文

致谢

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