低维纳米材料热输运性能的分子模拟

摘要

发展新型纳米材料和器件是纳米科学技术的重要组成部分和目标,而低维纳米材料,如硅纳米线、纳米管和石墨烯等,因其自身独特的结构以及与传统技术之间具有极好的兼容性,而备受人们关注,并且在传感器、太阳能电池和可循环能量存储设备等领域有着巨大的应用潜能。微纳米器件普遍具有高性能和体积紧凑化的特点,因此其自身传热和散热问题愈发严重,所以有必要通过分析纳米材料的热输运性能来弄清热量在微纳米结构中的输运机理,进而对纳米器件的导热性能进行控制。基于此,本文采用分子模拟方法从原子尺度研究了低维纳米材料的热输运性能,对日后解决微纳米器件散热问题有着重要的参考价值。
　　本文首先以管状结构为研究对象分析了几种基本因素对模型热输运性能的影响。在长度影响方面,纳米管的热导率随着长度的增加逐渐增加,且增加趋势逐渐减弱。在温度影响方面,当系统温度较低时,分子动力学方法无效,需要对其进行量子修正;氮化硼纳米管的热导率随温度的增加呈先线性增加后逐渐降低的趋势。在应变影响方面,氮化硼纳米管的热导率随拉伸或压缩应变的增加逐渐减小,但两者热导率减小的机理不同。
　　接着以纳米线结构为研究对象分析了结构的无定形化对模型热输运性能的影响。首先分析了晶格方向对硅纳米线的热输运性能的影响,发现硅纳米线的热输运性能表现出各向异性,其四种晶格方向热导率排列顺序为[110]k>[111]k>[112]k>[100]k。接着建立了含部分无定形结构的单晶/无定形核壳硅纳米线模型,通过分析其热输运性能,研究了部分无定形结构中无定形硅壳和单晶硅核/无定形硅壳接触界面对热输运性能的影响,研究发现无定形硅壳和核/壳接触界面都将降低单晶硅纳米线的热导率,并对其弹道特性有明显地削弱作用;在无定形硅壳和核/壳接触界面作用下,单晶/无定形核壳硅纳米线表现出明显的非输运、扩散特性。最后通过研究单晶/无定形核壳碳硅纳米线的热输运性能对前面结论进行了补充验证,研究发现与单晶/无定形核壳硅纳米线情况类似,单晶/无定形核壳碳硅纳米线中无定形硅壳和核/壳接触界面同样将降低模型的热导率,增强模型的扩散特性,但其改变的程度有所减弱。
　　其后本文研究了目前被广泛关注的石墨烯和石墨炔纳米带的热输运性能,分别分析长度、宽度和手性等因素对模型热导率的影响。针对石墨烯纳米带的研究表明:手性对纳米带的热输运性能有重要影响,Armchair型石墨烯纳米带的热导率高于Zigzag型石墨烯纳米带;双层石墨烯间碳原子的成键将削弱模型的热导率,且其削弱效果极为明显。石墨炔纳米带的热输运性能与石墨烯纳米带有较大差别。石墨炔纳米带的热导率显著地低于石墨烯纳米带;石墨炔纳米带的热导率随着碳链中碳原子的增加而逐渐减小;与石墨烯纳米带相反,Zigzag型石墨炔纳米带的热导率高于Armchair型石墨炔纳米带,且石墨炔纳米带的热导率随长度和宽度等的变化趋势与石墨烯纳米带有一定的区别。
　　最后针对硅薄膜热学、力学性能较差的问题,我们应用热力性能优异的石墨烯材料加强硅薄膜的热力性能,在此基础上通过研究石墨烯/硅薄膜/石墨烯复合材料的热输运性能分析了外加其它结构对纳米材料热输运性能的影响。首先通过在硅薄膜两侧覆盖石墨烯片实现了对硅薄膜本身热输运性能的改变,进一步通过研究石墨烯/硅薄膜/石墨烯复合材料的热输运性能发现对于较薄的硅薄膜,石墨烯将增强其热导率,但将削弱其弹道特性。此时石墨烯的热学性能对复合材料的热输运性能起决定作用。而随着硅薄膜厚度的增加,石墨烯在石墨烯/硅薄膜/石墨烯复合材料的热输运过程中不再起主要作用。当硅薄膜厚度较大时,因为接触界面的存在,石墨烯对石墨烯/硅薄膜/石墨烯复合材料的热导率有削弱作用。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 低维纳米材料研究综述

1.3 分子动力学基本原理及方法

1.4本论文的主要研究内容

第2章 几种基本因素对热输运性能的影响

2.1 引言

2.2 模型和计算方法

2.3 长度对管状结构输运性能的影响

2.4 温度对管状结构输运性能的影响

2.5 应变对管状结构热输运性能的影响

2.6 本章小结

第3章 结构无定形化对热输运性能的影响

3.1 引言

3.2 模型和计算方法

3.3 不同晶格方向对线状结构输运性能的影响

3.4 单晶/无定形核壳硅纳米线的热输运性能

3.5 单晶/无定形核壳碳硅纳米线的热输运性能

3.6 本章小结

第4章 石墨烯和石墨炔纳米带的热输运性能

4.1 引言

4.2 模型和计算方法

4.3 石墨烯纳米带的热输运性能

4.4 石墨炔纳米带的热输运性能

4.5 本章小结

第5章 外加其它结构对热输运性能的影响

5.1 引言

5.2 模型和计算方法

5.3 单晶硅薄膜结构的热输运性能

5.4 石墨烯/硅纳米薄膜复合材料的热输运性能

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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