键序理论研究粗糙表面对硅纳米线热导率的影响

摘要

纳米结构热输运的理解和调控将对热电装置以及微米、纳米电子设备的热操作的发展起到非常重要的作用。由于低维材料具有很高的比表面积，源于纳米结构中声子与表面的散射，显著的尺寸效应限制了热输运性能。然而目前人们对声子-表面散射的物理机制仍了解不够透彻，声子-表面散射对热输运的精确影响仍不清楚，需要对此进行深入研究。
　　本文提出了一种新的声子-表面散射机制，即表面键序缺陷对声子的散射。表面原子配位数比体内原子低（称为键序缺陷），表面原子的键长收缩，键能增强，导致力常数增加，表面原子力常数的增加对晶格振动系统的哈密顿量产生微扰，从而对声子产生散射。我们结合键序理论和量子微扰理论，推导出了该机制的散射率公式。
　　结合该散射机制与声子玻尔兹曼输运方程，我们计算了粗糙表面硅纳米线的热导率值，远远低于Casimir极限，计算结果与实验测量很好吻合，并且解释了粗糙硅纳米线热导率显著下降的物理机制是由于表面键序缺陷对高频声子强烈散射，导致高频声子对粗糙硅纳米线热导率的贡献明显下降。
　　我们进一步研究了粗糙表面硅纳米线的直径、粗糙度均方根、粗糙度相关长度和比表面积这四个形貌参数，以及表面自相关函数（高斯表面以及指数表面）对热导率的影响。结果表明比表面积是对粗糙硅纳米线热导率影响最重要的参数。在形貌参数相同的情况下，由于指数表面具有更多的高频小起伏，其比表面积大于高斯表面，所以具有指数表面的粗糙硅纳米线热导率也更低。
　　本文的研究不仅有助于理解声子-表面散射的物理机制，也有助于利用表面工程对纳米结构热导率进行调控。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 低维材料简介

1.2 硅纳米线的简介

1.2.1 硅纳米线的制备

1.2.2 硅纳米线的应用

1.3 硅纳米线热导率的研究现状

1.4 本论文的研究内容及意义

第2章 粗糙硅纳米线热导率的计算模型

2.1 键序理论结合量子微扰理论研究表面低配位原子对声子的散射

2.2 基于玻尔兹曼输运方程求解硅纳米线的热导率

2.2.1 声子U散射的散射率计算

2.2.2 声子-边界散射的散射率计算

2.3 比表面积的计算方法

2.4 本章小结

第3章 硅纳米线热导率的计算结果及分析

3.1 硅纳米线热导率的计算与实验结果的对比

3.2 粗糙表面极大降低硅纳米线热导率的物理机制分析

3.3 影响硅纳米线热导率的因素及分析

3.3.1 尺寸及粗糙度参数对硅纳米线的影响及分析

3.3.2 表面自相关函数对硅纳米线热导率的影响

3.4 本章小结

第4章 总结和展望

4.1 总结

4.2 展望

参考文献

致谢

个人简历、在校期间发表的学术论文及研究成果