纳米线中点缺陷扩散与声子调控

摘要

纳米线是构建微纳机电系统（MEMS/NEMS）、新型能量收集、转换和存储系统，以及纳尺度超敏传感器件的重要材料。纳米线的力学、电学、热学等性能直接决定了它们所在器件的性能能否达到实际应用要求。人们已经进行了大量纳米线的制备和性能表征研究但其理论还主要基于完美单晶结构。实际应用的纳米线结构是处在一个非常复杂的多场环境中，它们之间可能相互耦合；同时，实际中制备的一维纳米结构通常也并非完美，普遍存在各种各样的缺陷（比如点缺陷、位错等等）。对于纳米结构的多场耦合效应以及含缺陷结构的一些非常规动力学响应，相关研究则略显落后，而这些问题都是实际研究中非常重要且无法回避的问题。本论文通过分子动力学、有限元和理论建模方法研究了纳米线点缺陷扩散导致的特殊力学响应，声子扩散过程调制带来的热电增强等问题。论文的主要贡献有以下三点:
　　1）发现了含点缺陷的ZnO纳米线的超强滞弹性力学响应特性。基于理论推导和有限元分析，提出了对应的扩散连续介质模型，揭示出这种超强滞弹性力学行为是由应力梯度导致纳米线内点缺陷长程扩散引起的。纳米线的力学性能随点缺陷的扩散而发生变化，进而呈现出较强的滞弹性现象。相关实验验证了该理论模型的预测结果。同时，根据该模型将传统的Gorsky迟豫理论扩展到包含多种点缺陷的非线性滞弹性理论。
　　2）揭示了纳米线力学响应行为与材料性能参数的关系。通过建立和求解耦合点缺陷扩散方程和纳米线的振动方程，论文系统地研究了纳米线尺寸与杨氏模量、密度、点缺陷的扩散系数等性能参数的关系及其对纳米线力学响应行为的影响。解释了纳米线弯曲释放后发生振动或缓慢恢复到伸直平衡位置的不同机理和控制因素，进而定量的研究了纳米线振动受其中点缺陷扩散耦合后的阻尼效应。我们的分子动力学模拟计算验证了该理论模型结果。
　　3）阐明了表面周期结构对纳米线声子扩散的限制及对热电性能的增益。受实验合成的念珠状纳米线启示，通过系统的非平衡分子动力学计算模拟发现了念珠状的纳米线具有较强的声子局域化效应，使其具有比光滑纳米线更低的热导率。进而提出了一个简化的声子散射模型，对该现象进行解释，为设计纳米线表面形貌优化热电性能提供了理论基础。
　　本论文的研究结果为更好地控制一维纳米线结构的力学和热电行为提供了新的途径和思路，并可用于指导实验和中纳米器件的设计。

目录

声明

注释表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 本文关注的问题及研究现状

第二章计算方法

2.1 分子动力学

2.2 有限元分析方法和多场耦合软件

2.3 总结

第三章点缺陷扩散影响下的ZnO纳米线动力学行为

3.1 点缺陷在固体晶体中的扩散

3.2 点缺陷在ZnO纳米线中的扩散模型

3.3 ZnO纳米线的动力学特征

3.4 结论

第四章纳米线振动与点缺陷的扩散耦合

4.1 缺陷扩散振动耦合模拟方法

4.2 Gorsky迟豫-振动耦合下的能量耗散

4.3 结论

第五章念珠状硅纳米线的声子限域效应

5.1 引言

5.2 念珠状硅纳米线的模拟

5.3 念珠状硅纳米线热导率计算

5.4 声子限域效应理论模型

5.5 结论

第六章总结与展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文