碳/硅基二维纳米材料热传导性质的理论计算

摘要

热传导性质是材料重要的本征性质之一，本文中使用了分子动力学模拟和第一性原理计算两种理论计算方法，针对现阶段最有潜力的碳/硅基二维纳米材料的热传导性质进行了重点研究。 首先，使用分子动力学模拟方法研究了单壁碳纳米管同硅衬底之间的界面热导率。通过Van der Waals作用力描述了垂直放置的碳纳米管和硅基底之间的相互作用力。通过碳纳米管与硅基底之间的初始温度差来得到了其界面热导率，同时，通过施加外部压力，发现该体系的界面热导率随压力增加而增大。在界面区域，碳纳米管和硅基底的声子态密度随压力产生了变化，特别是在2 THz到15 THz的频率区间，这种声子态密度变化也是体系界面热导率变化的原因。 其次，同样使用分子动力学模拟方法，建立了六方晶粒和随机形状晶粒的多晶石墨烯模型，并借此研究了不同尺寸的多晶石墨烯的热导率随晶粒大小和晶界能量的变化。经研究发现，多晶石墨烯热导率随晶界能量呈指数函数变化，而晶粒尺寸的变化则导致热导率的相反变化。热导率随晶界变化的变化的原因主要是晶界导致的声子软化和热载流子的减少。 最近，一种被称为penta-graphene的五边形结构二维碳纳米材料被第一性原理计算所预测。我们通过第一性原理计算原子间相互作用力，并求解声子Boltzmann输运方程的方法，对比了三种具有代表性的五边形结构二维纳米材料，分别是 penta-graphene, penta-SiC2和 penta-SiN2。研究发现，虽然三种材料有着极其相似的几何结构，其热导率随应变的变化却截然不同：penta-graphene的热导率随应变增加单调下降；penta-SiC2的热导率则是罕见的随着应变增加先上升然后下降。更有趣的是，penta-SiN2在应变作用下从锯齿状的起伏结构变成了纯平结构，而其热导率也因为结构的变化增大了一个数量级。导致三种材料热导率变化趋势不同的原因则是体系中声子群速度和声子弛豫时间随应变呈现不同的变化趋势，以及 penta-SiN2的结构相变。同时，通过差分电荷密度和电子轨道杂化的分析结果，不同的热输运现象深入的和其成键结构联系了起来。另一方面，这三种五边形结构二维纳米材料所表现出的热导率的大幅度可调性，表明五边形结构二维纳米材料在纳米电子器件中有着很大的应用潜力。 最后，鉴于二维五边形结构和六边形蜂窝结构纳米材料的热传导性质的异同还未有报道。利用第一性原理计算，研究了两种硅基的五边形二维纳米结构（penta-SiH和双层 penta-silicene）以及一种六边形二维纳米结构（H-silicene）的热导率随应变变化的趋势。虽然penta-SiH和penta-silicene有着相似的热导率随应变变化的趋势，但是影响其热导率变化的物理机制却不同。它们的热导率首先随着应变的增加而增大，当应变大于10%后，其热导率不再随应变变化而变化。分析表明，虽然声子群速度和声子弛豫时间均随着应变而增加，但是面内声子群速度的增加是penta-SiH热导率增加的主要原因之一，而双层penta-silicene热导率增加的原因之一则是面外声子群速度的增加。另一方面，虽然有着不同的几何结构， penta-SiH和 H-silicene的热导率随应变变化却是相似的，但是两者的主要面外声子散射通道的不同的是不容忽视的，这种不同直接导致了两者热导率随应变变化的敏感程度不同。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景

1.2 二维纳米材料热传导性质的理论计算研究进展

1.3 本文的主要内容

第二章 晶格动力学和声子理论

2.1 晶格和模态

2.2 晶格动力学

2.3 声子热动力学和非简谐性

2.4 声子间的相互作用

2.5 声子的Boltzmann输运方程

2.6本章小结

第三章 计算机模拟计算的方法及其原理

3.1 分子动力学计算

3.2 基于密度泛函的第一性原理计算

3.3本章小结

第四章 碳纳米管与硅基底界面热阻的分子动力学研究

4.1 引言

4.2 实验模型及模拟过程

4.3 碳纳米管与硅基底界面热导的变化趋势

4.4 导致体系界面热导变化的物理原因

4.5 本章小结

第五章 多晶石墨烯热导率的影响因素的分子动力学模拟研究

5.1 引言

5.2 多晶石墨烯模型的建立及其模拟过程

5.3 晶粒影响多晶石墨烯热导率的原因

5.4 本章小结

第六章 五边形二维纳米材料热传导性质对晶格应变的响应

6.1 引言

6.2 第一性原理计算求解材料声子Boltzmann输运方程的方法和原理

6.3 三种五边形结构二维纳米材料的结构及其稳定性测试

6.4 三种五边形结构二维纳米材料的热力学性质随应变变化的趋势

6.5 三种五边形结构二维纳米材料热力学性质变化趋势不同的原因

6.6本章小结

第七章 五边形与六边形结构硅烯晶格传热性质比较

7.1 引言

7.2 第一性原理的计算方法和模型构造

7.3 两种结构晶格对应变的热力学响应的异同及其原因

7.4 本章小结

第八章 全文总结及展望

8.1 全文总结

8.2 论文工作主要创新点

8.3 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士期间取得的成果