用分子动力学方法预测硅纳米薄膜的热导率

采用非平衡分子动力学方法,基于优化的集成势函数COMPASS力场,预测了室温下(300K)硅纳米薄膜的热导率.模拟结果表明:厚度约4~10nm的硅薄膜的热导率在3.06~7.28 W/(m·K)范围,并且随着膜厚的增加而增大,表现出明显的尺度效应.在所计算的薄膜厚度范围内,硅纳米薄膜的热导率与薄膜厚度呈现近似线性变化的关系.应用气动理论对产生的尺度效应进行了初步的理论分析,当薄膜厚度在几纳米到十几纳米时,有效声子平均自由程与膜厚有关,不再等于体材料的平均自由程.同时也将本文的预测结果与其他研究者采用Stillinger-Weber势所进行的模拟结果进行了比较.为分子动力学方法在低维材料热物性方面的研究提供了有益的参考.     

氧吸附硅烯的纳米结构的第一性原理

类石墨烯二维材料硅烯拥有与石墨烯(graphene)相似的性质.基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,通过计算模拟探讨了氧吸附对硅烯(silicene)纳米结构的性能影响.研究发现,氧吸附在硅烯后,硅烯在电子结构上改变了能带带隙,呈现半导体性质,对silicene单层纳米结构的实验研究具有理论指导意义和参考价值,同时在电子自旋器件的设计以及实践方面也具有潜在应用价值.     

基于蒙特卡洛法的硅纳米线热导率研究

声子在纳米尺度下的输运需要考虑量子效应与边界效应,通过解析方法获得其传输特性比较困难,采用蒙特卡洛方法(Monte Carlo,MC)构建了声子在体态硅与硅纳米线结构中的输运模型,简化了边界散射的选择机制与处理方法.在15～1 000 K的温度范围内,对体态硅的热导率进行了模拟,验证了MC模型对本征散射处理方法的正确性,进而模拟了等效直径为22,37与56 nm的硅纳米线在15～315 K温度范围内的热导率,37和56 nm硅纳米线热导率与实验值符合较好,22 nm硅纳米线热导率比实验值偏大.分析认为随着等效半径的减小,声子色散曲线发生改变,迟豫时间减小,声子发生边界散射的频率增加,导致热阻增大.基于以上分析,通过对边界散射迟豫时间的修正,获得了与实验值较为一致的模拟结果.     

Mn~(4+)掺杂对CdO多晶电、热输运性能的影响

利用固相烧结法制备了Cd_(1-x)Mn_xO(x=0、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%)多晶块体样品并研究了Mn~(4+)掺杂对CdO多晶高温电、热输运性能的影响.实验发现,随着Mn~(4+)掺杂量的增加,样品的载流子浓度和迁移率同时增大,导致其电阻率降低、塞贝克系数变大;Mn~(4+)掺杂虽然可以降低CdO的声子热导率κp,但因为电子热导率κe的大幅上升从而使样品的总热导率κ升高.本研究结果为CdO热电性能的进一步调控及优化提供了基础.     

温度和压力对砂岩热导率的影响及温压校正计算方法

岩石热导率是岩性分析的重要参数,而温度和压力是影响岩石热导率的2个重要因素.本文收集了不同温度和压力条件下的实验室砂岩测试数据36个,对这些测试数据进行了温度校正以及压力校正.砂岩样品测试的温度范围为2～250℃,压力范围为0.1～200 MPa,实验室测出的热导率范围为2.34～2.91 W/(m·K).首先根据测试数据分析温度和压力对热导率的影响,探讨了岩石热导率随温度的升高而降低,随压力的增大而增大的规律;然后,利用多元拟合的方法,确定了热导率随温度、压力变化的经验公式;再通过拟合和插值的方法,进行温度校正和压力校正,计算不同温压条件下热导率的预测值;最后,利用数值算例验证该方法的有效性.研究结果对不同岩样的热导率温压校正计算具有参考意义.     

硅的浓度对Si-Ge合金声子热导率影响的数值研究

为计算硅的浓度对Si-Ge合金材料声子热导率的影响,利用线性插值的方法,对Si、Ge的参数进行取值.以Gauss-Legendre公式为基础进行数值积分,通过Matlab计算本征热导率与Callaway、Holland模型中声子热导率的比值.研究发现,当浓度fi与原子相对质量Mi满足关系:fGeMGe≈fSiMSi时,对声子热导率影响最大.     

硅烯上的克莱因隧穿

基于硅烯的四带低能有效哈密顿量,通过求解狄拉克方程研究了单层硅烯上的势垒隧穿,得出了硅烯中隧穿几率随入射角度的变化关系。当入射方向为正入射时,电子完全透射,隧穿几率不随隧穿势垒宽度和门电压改变而变化,表明在硅烯中可以观察到克莱因隧穿现象。进一步研究了硅烯在常规半导体相、拓扑绝缘体相以及半金属相等不同物相中的量子输运,发现不同的物相对于电子的隧穿影响不大。该研究有助于澄清硅烯上克莱因隧穿的特性,并为基于硅烯的强鲁棒性量子隧穿器件设计提供思路。     

试论用探针法测量固体热导率的可能性

一、引言热导率是描述固体材料特性的基本物理量之一.测量固体电子材料的热导率数据,对工程技术应用提供材料的热特性技术数据;对探索新型固体电子材料的研究工作者,材料的热导率提供材料微细结构,电子一声子散射机构和输运性质的许多信息.     

纳米多孔结构单晶硅热电薄膜声子热导率数值研究

为降低多孔热电薄膜的热导率来提升其热电转换效率,基于离散坐标法和松弛时间近似模型求解声子Boltzmann输运方程,对单晶硅纳米多孔热电薄膜声子热导率进行了数值研究,获得了多孔硅薄膜厚度、孔隙率、边界镜面率和声子散射边界面积对其热导率的影响规律,讨论了孔隙率、多孔薄膜厚度对薄膜各向异性导热特性的影响。结果表明:随着孔隙率的增加及薄膜厚度的减小,热导率逐渐降低;当孔隙率增加到64%,且硅薄膜厚度减小到块材料硅声子平均自由程的1/10时,与块材料热导率相比,薄膜热导率至少下降两个数量级。通过分析多孔薄膜中的热流分布特性,提出了优化设计薄膜多孔结构的方法,为设计低热导率高效热电薄膜提供了理论依据。     

基于Lattice Boltzmann方法的1-3型复合材料热传导特征

基于玻尔兹曼输运理论及相关的格子玻尔兹曼方法对1-3型复合材料的热传导特征以及等效的热传导系数进行了详细研究.首先给出了计算热传导问题的格子玻尔兹曼法二维几速度不可压缩热模型以及边界条件(恒温、绝热)的处理方式,并在此基础上探讨了圆形、椭圆形、矩形和随机夹杂的1-3型复合材料的传热特征和等效热导率等,展示了给定时刻下,结构上的温度分布特征以及结构上某点温度随时间的变化特征等.数值结果表明:尽管夹杂截面形状对等效热导率有一定的影响,组分仍是等效热导率最主要的影响因素.     

各向异性二维材料的热输运及热辐射调控研究进展

二维材料体系中能量输运与宏观体材料存在显著差异.因此，二维材料的热输运和热辐射的研究对微纳器件热管理、辐射制冷等具有重要意义.本文首先总结了典型各向异性二维材料(如WTe₂、CrOCl、Ta₂NiS₅)的热学特性，分析了材料结构对热输运的影响，展示了在二维材料中调控热流的新机制；其次，针对高功率密度器件散热需求，总结了影响热界面材料性能的关键因素，回顾了利用二维材料各向异性的热输运特性提高聚合物复合材料热导率的新方法，包含空间取向调控、导热网络构建等；最后，围绕辐射制冷、红外伪装等领域应用需求，基于二维材料的独特晶体结构和电子结构，总结了通过离子插层方式调控发射率的新途径，全面分析了主客体结构、外加电场等对红外发射率的影响，展示了优化发射率调控能力的新途径.本文通过梳理相关研究进展，加深了对二维材料热输运和热辐射调控机制的理解，分析了材料制备、物性表征、机制探究中面临的挑战，展望了相关研究的发展方向.     

Ni/Al层合结构热传导性能的非平衡分子动力学研究

采用非平衡分子动力学方法研究了[111]方向的Ni/Al层合结构的热传导性能.首先模拟了温度为300 K下[111]方向Ni/Al层合结构的热传导,通过分析界面处的声子态密度,发现交换热冷浴位置之后,层合结构的热参数基本没有变化,说明热冷浴的位置对结果影响不大.其次讨论了300 K下单层的Ni/Al层合结构的尺寸效应,计算结果表明随着系统尺寸的增大,界面热阻值逐渐减小并趋于平缓,并分别讨论了Ni和Al的热导率的尺寸效应;采用外推法计算了无限大系统下Ni和Al的声子热导率以及声子平均自由程,结合Wiedeman-Franz定律计算了Al和Ni的电子热导率,得到了Al和Ni的总热导率,并与实验值进行比较,结果与实验值在同一量级.然后讨论了传导方向为[001]和[110]时层合结构的界面热传导性,并和[111]方向的结果对比,发现界面热阻具有明显的各向异性.最后讨论了双周期层的Ni/Al层合结构的热传导性能,结果表明最靠近热浴的界面温度跳跃值最大,对应的界面热阻值最大,即对层合结构的热传导性能影响最大;与相同长度的单周期层结构对比,发现双周期层结构的热导率明显要小,因此可以通过增加材料的层数来提高隔热效果.     

非平衡分子动力学法模拟计算SiC材料的热导率

为了探究更高效的碳化硅(SiC)材料热导率的模拟方法,应用逆非平衡分子动力学(rNEMD)法及传统非平衡分子动力学(NEMD)法对β晶型SiC(β-SiC)材料的热导率进行模拟计算和对比; 2种方法的模拟过程均先建立横截面尺度小而轴向尺度大的棒状模型,采用周期性边界条件、应用修正嵌入原子法(MEAM)势函数,先后进行正则系综(NVT)的弛豫和微正则系综(NVE)内的动态沿轴向生成温度梯度的过程,分别利用傅里叶定律模拟计算得到SiC材料的热导率。结果表明:2种方法的计算结果均出现热导率随生成温度梯度的材料轴向尺度增加而增大的有限尺度效应,应用倒数拟合的外推法可以计算模拟体系沿轴向为无穷大时的宏观体相β-SiC材料的热导率; r NEMD法具有较高的计算效率,更适合热导率的模拟计算。     

石墨烯纳米带热导率的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学方法研究了石墨烯纳米带的热导率随温度变化的关系.通过在纳米带长度方向上施加周期性边界条件,利用Tersoff作用势和Fourier定律计算热导率.由于模拟尺寸较小时热导率随纳米带长度的增加而单调增加,为了减小长度对石墨烯纳米带热导率的影响,采用倒数拟合的方法消除了尺寸效应.模拟结果表明,石墨烯纳米带热导率随温度升高逐渐减小,这与高温下Umklapp散射作用的增强有关.结果还表明,在实际宽度近似相等的条件下,锯齿形纳米带的热导率明显高于扶手椅形,且对相同类型的纳米带,其热导率随宽度的增加而增加,表明纳米带的手性和宽度是影响石墨烯纳米带导热性能的重要参数.     

掺杂硅纳米薄膜法向热导率的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学方法计算了平均温度为300 K时膜厚2.2~104.4 nm的硅纳米薄膜以及掺锗的硅纳米薄膜的法向热导率.采用随机掺杂方式在硅纳米薄膜中掺入锗原子,掺杂浓度分别为5%和50%.模拟结果表明,相同膜厚的掺锗硅薄膜的法向热导率比纯硅薄膜的法向热导率小很多,掺杂前后的硅薄膜法向热导率均随着膜厚的增大而增大.通过计算体态硅热导率关于声子平均自由程的累积函数,发现对体态硅热导率主要贡献是声子平均自由程为2~2 000nm的声子,而掺锗的体态硅中对热导率贡献约占80%的声子平均自由程为0.1~30 nm,远小于纯硅中对热导率主要贡献的声子平均自由程.     

热传导的尺寸效应

在半经典输运理论的基础上研究了薄样品热传导的性质,给出了薄样品的热导率公式,比较了样品不同方向上的热导率的大小,进一步研究了样品表面的粗程度对热阻率的影响。     

室温下硅与硅锗合金的热电性能研究

采用第一性原理方法研究在温度为300 K时,硅单质和两种锗组分不同的硅锗合金的热电性能,发现虽然硅的热电功率因子S2σ较大,但由于其热导率也高,故不是良好的热电材料,但若与其同族的元素锗形成合金,就可使材料的热导率得到显著下降,伴随而来的载流子迁移率的下降则远不如热导率明显,从而可获得较大的热电优值,而且在硅锗合金中锗含量不同时,热电优值也会有变化.     

混合碳链的电子输运特性的第一性原理研究

用第一性原理非平衡格林函数方法研究了混合碳链置于两个Al(100)电极之间的输运性质.计算了IV族原子硅取代一维纯碳链中不同位置碳原子,以及硅取代不同长度的碳链时的输运性质,同时比较了其他非IV族原子N、P、S分别取代C7碳链中不同碳原子的输运性质.研究结果表明,对于混合碳链同样存在平衡电导的奇偶振荡,并且随着取代的位置不同,也会有奇偶振荡现象.硅原子取代碳原子后对体系的透射谱、不同门电压下的平衡电导及电流-电压(I-V)曲线性质的影响,文中也进行了分析比较.     

铟掺杂对氮化镓热导率的影响

使用铟（In）掺杂氮化镓（GaN）可以调制其许多性质,从而使其广泛地应用于各种领域。在应用过程中,材料的热导率是至关重要的性质,直接关系到器件的稳定性,因此对In掺杂GaN的热导率进行研究是十分必要的。本文使用第一性原理方法求解玻尔兹曼输运方程研究了In掺杂对GaN热导率的影响,结果表明掺入In之后,GaN的热导率明显...     

BiSe单晶及其Sb掺杂单晶的制备和热电输运性质

在具有低晶格热导的单晶材料中探索高热电性能成为热电材料一个重要的新研究方向. Bi Se作为(Bi₂Se₃)_m(Bi₂)_n系列超晶格化合物中的一员,其晶体结构中Bi₂双层的存在使其具有极低的本征热导率,同时得益于其化学组分无毒、环境友好的特点,成为一种新出现的很有潜力的热电材料. Bi Se特殊的层状结构使其热电输运特性具有显著的各向异性.本文采用布里奇曼法制备了大尺寸Bi Se单晶,对样品各向异性的热电输运性能进行了对比研究,结果显示样品在面内方向具有更高的电导率和热导率,而较低的塞贝克系数使得该方向最终的ZT值低于层间方向,两方向ZT最大值分别为0.11 (573 K)和0.16 (623 K).与Bi Se多晶样品相比,单晶样品表现出较低的电输运性能,可归因于两者散射系数的差异.通过Sb掺杂对Bi Se单晶样品的载流子浓度进行调控,有效提升了样品的塞贝克系数,优化电输运性能.同时Sb掺杂能够引起晶格畸变,降低样品的晶格热导率.最终样品的热电优值提升了...