基于分子动力学模拟的低维系统热输运调控研究

摘要

随着纳米加工技术的进步以及器件走向低维纳米尺度，低维体系的热输运正不断成为基础与应用研究共同关注的课题。特别是随着近年来纳米线、纳米管和二维石墨烯等为代表的低维材料热物性实验研究的突破性进展，人们认识到认识和理解这些微纳尺度低维热输运的重要性，也使该方向成为凝聚态物理的重要前沿课题。与宏观体系中的热输运比较，低维体系中热输运具有的独特的性质，宏观体系下材料尺度的变化不会影响材料本征的热导率变化，但低维材料表现出对材料尺度的依赖关系。石墨烯具有较高的热导率，在低维情况下石墨烯的热导率则与尺寸有着关系。目前对低维体系热性质及热输运的研究已经成为凝聚态物理一个非常重要的领域。 本论文的主要工作是通过以二维石墨烯为例，通过设计结构缺陷及其位置的关联分布，利用分子动力学模拟的方法，研究石墨烯缺陷结构及其位置关联分布对热导率的调控，探讨低维体系中热输运调控的动力学机制和一般规律。论文主要分为两部分研究内容:1）设计不同缺陷的结构形状，研究石墨烯的缺陷形状对石墨烯热导率的调控机制。通过模拟和对比不同结构的缺陷，我们发现方形缺陷引起热导率的下降较为明显。进一步分析表明方形结构缺陷周围存在较少悬挂键的碳原子，由于这些悬挂键碳原子对低维热输运有较强的散射。2）研究二维石墨烯的中缺陷位置的空间关联分布对石墨烯热导率的调控。研究表明虽然石墨烯孔隙率的大小对于石墨烯热导率有着明显的影响，但在孔隙率相同的情况下，对比石墨烯缺陷位置空间随机分布和分形关联设计，发现分形空间位置关联的缺陷能够显著降低石墨烯的热导率。通过进一步的声子态密度和声子的模式参与度计算，我们发现分形结构的空间位置关联产生更多的低频局域振动，从而引起较强的声子散射进而降低体系的热导率。 通过设计低维体系缺陷及其相关空间位置的关联分布，为低维体系热导率的调控和热流的调节提供了可能的途径和方法，对于设计新型低维热电材料和热功能材料具有一定的方法指导意义。

目录

摘要

1．1研究背景

1．2研究现状

1．2．1一维材料的研究现状

1．2．2二维材料研究现状

1．3课题来源及主要内容

参考文献

第二章分子动力学方法计算热导率

2．1分子动力学方法

2．1．1分子动力学建模

2．1．2势函数的选取

2．1．3系统边界条件

2．1．5系综的选取

2．2热导率的计算方法

2．2．1加减能量法

2．2．2速度交换法

2．2．3固定温度法

2．2．4平衡态算热导率

2．3本章小结

参考文献

第三章缺陷形状对于石墨烯热导率的调控

3．1引言

3．2缺陷形状石墨烯的构建

3．3计算方法

3．4模拟结果分析与讨论

3．4．1热导率随孔隙率的变化情况

3．4．2热导率随温度变化的情况

3．5分析与讨论

3．5．1整体态密度与局部态密度

3．5．2局部态密度

3．6声子参与度

3．7小结

参考文献

第四章空间位置关联对石墨烯热导率的调控

4．1引言

4．2计算方法

4．3结果与讨论

4．3．1声子态密度

4．3．2声子参与度

4．4小结

参考文献

5．1总结

5．2展望

研究生期间发表的论文

致谢

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