石墨薄膜热导率的研究

通过对90K~350K温度下石墨薄膜热导率的数据进行拟合分析,从理论上预测了石墨薄膜热导率随温度的变化趋势.结果表明,当薄膜厚度可与声子平均自由程比拟时,石墨薄膜热导率的尺寸效应比较明显.该尺寸效应归因于薄膜的边界对载热声子散射作用的增强.     

绝缘体上硅场效应晶体管热导率尺度效应模型

针对硅微纳米薄膜热导率存在严重尺度效应的问题,提出一种等效边界散射自由程近似的全耗尽绝缘体上硅(FD SOI)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)硅薄膜热导率尺度效应模型。探讨硅材料内声子散射机理,量化考虑束缚态与自由态电子影响的声子弛豫时间,推导得到硅材料热导率解析模型;深入研究声子边界散射机制,近似求解衡量尺度效应的衰减因子,获取等效声子边界散射平均自由程;考虑由粗糙度引起的界面效应,利用Matthiessen规则将硅材料内声子散射与声子边界散射等过程进行耦合,建立起适用于纳米FD SOI MOSFET硅薄膜热导率解析模型,并利用Asheghi原始模型与实验测试数据对等效边界散射自由程近似热导率模型进行了验证。模型计算结果表明,硅薄膜内声子边界散射等效平均自由程约为薄膜厚度的2.5倍。声子边界散射在微尺度与纳尺度声子热传输过程中占据主导地位,决定了硅薄膜内声子超快热传输特性。采用等效边界散射自由程近似的热导率模型能够与Asheghi模型及实验测试数据较好地吻合,更加凸显衰减因子的物理意义以及有效地揭示纳米器件有限空间热导率的尺度效应。     

电介质薄膜中的稳态导热与法向导热系数的尺寸效应

通过非平衡分子动力学（NEMD）模拟预报了纳米电介质薄膜的法向导热系数,采用各向异性的非平衡分子动力学方案模拟了固体氩薄膜中垂直于膜平面的稳态导热,考察了对应于平均温度为45K的薄膜法向导热系数与膜厚度的关系,在氩薄膜厚度为2.124-10.62nm的范围内,薄膜法向导热系数显著低于相同温度下的大体积材料的实验值,并随膜厚度的减小而降低,具有显著的尺寸效应,在弛豫时间近似条件下得到的声子Boltzmann输运方程的近拟解表明,该尺寸效应归因于纳米薄膜的边界对载热声子散射作用的增强。     

单层石墨烯力学性能尺寸效应的有限元分析

本文采用杆件系统模拟单层石墨烯结构,其中石墨烯的碳-碳共价键视为杆件,碳原子视为杆件之间的连接点。基于杆件系统的有限元方法,计算出单层石墨烯的杨氏模量、剪切模量和泊松比等力学性能参数。在此基础上,构建尺寸从小到大的8个单层石墨烯计算模型,求得各种尺寸下杨氏模量、剪切模量和泊松比等力学性能参数。通过分析这些力学性能参数随着尺寸变化而变化的结果,研究单层石墨烯力学性能的尺寸效应。数值算例表明,在小尺寸下扶手型和锯齿型单层石墨烯力学性能的尺寸效应显著,而随着计算模型尺寸的增大,尺寸效应出现弱化;并且相同尺寸的情况下,扶手型单层石墨烯的杨氏模量和剪切模量总是大于锯齿型的相应量。     

声子输运模型预测石墨烯与基体之间界面热导

界面热导随着微纳米结构、器件的日益微型化而对内部热输运起着主导作用。本文采用扩散失配模型和非弹性散射模型从理论上预测了石墨烯与Si基体之间的声子透射系数和界面热导,并用声子输运理论进行了分析。声子透射系数和界面热导都随着温度的升高而增大,由于被激发的声子模式达到饱和,二者在高温时逐渐收敛。非弹性散射作用为声子透射提供了额外的通道,导致声子透射系数和界面导热能力的提升。     

二维声子晶体色散关系的大尺度晶格动力学计算

提出了一种计算大尺度原胞的晶格动力学方法,对光滑硅薄膜的声子色散关系进行了检验.在不考虑声子区域折叠效应的条件下,通过比较超原胞和单原胞模型计算的声子色散关系,证实了所提方法的正确性.运用该方法研究了二维孔状硅声子晶体的色散关系.进一步研究了硅声子晶体色散关系与气孔率和膜厚的关系,结果发现,与相同厚度的光滑硅薄膜相比,孔的存在降低了三支声学的声子群速度;随着气孔率的增加,声子群速度快速降低;而增加薄膜厚度主要增加了法向声子群速度.     

超薄Ti膜介电函数的尺寸效应

超薄Ti膜介电函数与薄膜厚度及外加电场频率的关系表明:超薄Ti膜的介电函数具有尺寸效应;超薄Tj膜介电函数实部随外加电场频率的增大而减小.对比超薄Ti膜直流电导率的实验结果,超薄薄膜形成过程中结构特征变化是导致介电函数尺寸效应的主要原因.     

一维六方准晶中纳米尺度正三角形孔边裂纹的反平面问题

基于Gurtin–Murdoch界面/表面理论和复变函数方法,结合保角映射技术研究了一维六方准晶含纳米尺度的正三角形孔边三裂纹反平面剪切问题,分别得到了声子场和相位子场的应力、应力强度因子封闭表达式,同时还获得了能量释放率的解析解。数值算例分析了无量纲化应力强度因子、无量纲化能量释放率在无穷远处声子场和相位子场应力作用下的变换规律。数值结果表明：无量纲化声子场应力强度因子随着无穷远处声子场应力的增大而逐渐增大并缓慢趋于稳定值,随无穷远处相位子场应力的增大而减小;无量纲化相位子场应力强度因子随着无穷远处声子场应力的增大而缓慢增加,随无穷远处相位子场应力值的增大而缓慢减小且最终趋于稳定;当裂纹长度和三角形孔边长之比给定时,随着无穷远处应力的增大,无量纲化能量释放率也随之增大;表面效应作用下,声子场和相位子场之间存在耦合效应;无量纲化的应力强度因子和能量释放率均存在着显著的尺寸依赖性;缺陷尺寸的不断增大会减小表面效应对周围应力场的影响。     

电介质薄膜导热系数的尺寸效应

为研究电介质薄膜中的导热机制以及薄膜厚度对导热系数的影响 ,以氩的 FCC晶体为模型 ,采用分子动力学方法计算了厚度约为 2～ 10 nm的薄膜的法向导热系数。计算得到对应于 12 0 K的薄膜导热系数显著低于大体积实验值 ,并随薄膜厚度的减小而降低 ;即纳米薄膜的晶格导热系数具有明显的尺寸效应。当薄膜厚度减小至纳米量级时 ,即使在较高温情况下 1.3ΘD,晶体边界对声子的散射也将起重要作用。对氩晶体分别选取了 L ennard- Jones作用势和一种软球作用势 ,考察了不同势能模型对于模拟结果的影响     

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.     

硅掺杂对石墨烯薄膜拉伸力学性能的影响

采用Tersoff势对硅掺杂石墨烯薄膜的拉伸过程进行了分子动力学模拟,研究了不同硅掺杂比对扶手椅型和锯齿型石墨烯薄膜拉伸力学性能的影响,得到了相应的应力-应变关系以及拉伸破坏形态.研究结果表明,硅原子的替换掺杂对石墨烯薄膜杨氏模量的影响明显,其拉伸极限应变和拉伸强度随着硅原子掺杂比的增大而显著减小.     

含中心裂纹石墨烯拉伸性能的分子动力学模拟

基于分子动力学方法,采用Tersoff势函数,研究了含中心裂纹扶手椅型单层石墨烯薄膜的破坏过程.得到了相应的应力-应变曲线及破坏形态,分析了裂纹尺寸、应变率以及温度变化对含中心裂纹石墨烯薄膜拉伸力学性能的影响.研究结果表明:随着裂纹尺寸的增大及温度的升高,石墨烯薄膜的破坏强度和破坏应变均减小,裂纹开始扩展时对应的应力减小;随着应变率增大,石墨烯薄膜的破坏强度和破坏应变均增加,裂纹的起裂应力及扩展过程中的平均速度均增加;薄膜的破坏均是从中心裂纹附近开始,随着裂纹尺寸、应变率及温度的变化,石墨烯薄膜表现出不同的破坏机制;较高应变率作用下,薄膜中心和边缘处均出现C—C键断裂.     

单层石墨烯温度效应的分子动力学模拟

在不同温度条件（0 K-3000K）下,采用AIREBO势函数对单层石墨烯薄膜的弛豫性能和拉伸性能进行分子动力学模拟,研究单层石墨烯在弛豫过程中温度效应对其原子结构的影响以及单层石墨烯在拉伸过程中力学性能与温度效应的关系.研究结果表明：单层石墨烯的弛豫性能和拉伸性能均对温度具有很强的依赖性.理想状态下,单层石墨烯的弛豫是一个原子结构的动态平衡过程,随着温度升高,石墨烯稳定性降低,弛豫过程中原子的波动起伏变得不规则和剧烈起来.在温度从0K上升到3000K的过程中,单层石墨烯的拉伸强度、拉伸极限应变和弹性模量值均呈现下降趋势,且锯齿型石墨烯的弹性模量对温度的依赖程度比扶手椅型大,薄膜的拉伸随温度变化表现出不同的破坏形态.     

三层一维非金属薄膜材料热传导效应的研究

从声子散射模型出发,用拉普拉斯变换法得到三层一维非金属薄膜在简谐温度边界条件下温度响应的解。通过算例分析,讨论了在微尺度条件下非金属薄膜的热响应特征。计算表明,热响应温度和热传播速度随特征参数E的变化而变化。在薄膜中不同位置处,当E<0.1时,波动特性明显,最高响应温度在波的传播方向上先减小后增大;当E>0.1时,最高响应温度持续减小。当E取较大值时,热传播速度也较大,达到最大响应温度的热响应时间几乎相同。而在薄膜后表面,热传播速度随E的增大而增大。另外,当E<0.25,最大热扰动响应温度随E的增大而减小;当E>0.25时,最大热扰动响应温度随E的增大而增大。     

多层石墨烯纳米带的法向热传导

为了探讨纳米带横截面积和制造过程中可能引起的凸起结构对多层石墨烯纳米带法向热传导的影响,采用了能够反映纳米尺度下声子波属性和量子效应的原子格林函数方法来进行计算研究.结果表明,石墨烯纳米带单位面积法向热导与横截面积呈负相关,并最终趋近于体态值100 M W/(m2·K).造成此现象的原因是随着横截面积的增大,增加的声子支主要位于高频区域,而相对于低频声子,高频声子在界面处的透射值较小.另外,声子局域态密度和透射函数的计算结果表明,凸起会改变热流的传递方向和降低热流传递的效率,从而减小法向热导.     

非晶FeCuNbSiB多层膜的巨磁阻抗效应

研究在250℃退火温度下非晶FeCuNbSiB薄膜的巨磁阻抗效应.X-ray谱和Mossbauer谱显示样品为非晶状态.导电层的厚度为2 μm,磁性层的厚度为1 μm.三明治结构的最大阻抗效应为20%.为了提高巨磁阻抗效应,在两磁性层之间加入了绝缘层SiO2,在250℃退火温度下最大阻抗效应为62%.随着驱动电流频率的增大,磁阻抗效应曲线由随磁场的单调下降变为出现峰的结构.     

基于第一性原理的碳纳米管热输运的计算

基于第一性原理的密度泛函理论方法对碳纳米管结构进行优化,计算出原子间的力常数.在此基础上,计算碳纳米管的声子色散关系,并且利用量子非平衡格林函数方法研究碳纳米管的热导.计算结果表明:随着碳纳米管管径的增大,碳纳米管的声子透射系数和热导均增大;然而对于碳纳米管平均单位面积热导,发现在低温区和高温区具有显著不同的性质:在低温区,不同手征类型的碳纳米管热导几乎接近;在高温区,锯齿型碳纳米管的单位面积热导随着管径的增大而增大,而扶手型碳纳米管的单位面积热导几乎不随管径的变化而变化.     

磁场和LO声子效应对量子盘中强耦合磁极化子qubit的影响

采用Lee-Low-Pines-Huybrechts变分法研究了外磁场、LO声子效应和量子点厚度对量子盘中电子-LO声子强耦合磁极化子的振动频率和qubit的影响,推导出磁极化子的振动频率λ,量子比特振荡的周期T0和电子的几率分布ρ的表达式。数值计算结果表明,磁极化子基态的振动频率大于激发态的振动频率,λ随ωc和α的增加而增大,随L的增加而减小;T0随受限强度ω0和量子盘厚度L的增加而增大,随电子-声子耦合强度α的增加而减小;ρ随ω0的增加而减小,随L的增加而振荡减小;T0和ρ随ωc和L的变化规律受ω0和α的影响显著。     

纳米材料体等离子能的尺寸与维度效应

通过考虑能隙的尺寸效应,建立了纳米材料体等离子能的尺寸和维度效应模型.该模型无任何可调参数,并且可以预测纳米材料的体等离子能随尺寸和维度的变化规律.模型预测结果表明,体等离子能随着材料尺寸的减小而增大,而且相同尺寸的纳米材料由于表面体积比的不同,纳米线的增大趋势强于纳米薄膜而弱于纳米粒子.模型预测结果与实验结果的一致性表明模型的有效性,并证实了体等离子能的增大起源于能隙的增大.     

自旋池作用下量子点结构中的负微分热导效应

研究与双极自旋池连接的单能级量子点中自旋极化流的生热性质,发现通过适当调整自旋池中不同自旋方向电子的化学势,能够出现显著的负微分热导现象,即随着自旋压的增大,热流强度变小.还发现自旋极化流的生热性质对系统的温度不敏感,而自旋流与自旋压的曲线随温度的增加变得平滑,即声子辅助的电子隧穿过程被电子的热运动所破坏.