低維納米材料熱輸運性質的分子動力學研究.pdf

1、2004年，曼徹斯特大學的Andre Geim和 Kostya Novoselov帶領一批物理科學家利用三維的石墨剝離出了單層的石墨，即石墨烯。眾所周知，石墨烯是第一個二維的碳元素的同素異形體。隨著納米技術的不斷發(fā)展，人們利用外延生長法在碳化硅的表面制得石墨烯。石墨烯作為一種新穎的納米材料，它具有極高的電子遷移率、很好的彈道傳輸特性以及極大的Seebeck系數(shù)。這些表明石墨烯和石墨納米帶是納米電子學和熱電材料的理想選擇。然而在實驗中測得

2、到石墨烯具有很高的熱導率，這就使得它的熱電系數(shù)很低。因此，如何能夠盡最大效率的降低石墨烯的熱導率并且盡量保持它的電導率以及 Seebeck系數(shù)不受影響，是目前亟待解決的問題。另外，聲子在石墨帶上的熱傳輸機制還沒有完全搞清楚。
　　第一章首先介紹一下研究低維納米材料的分類及主要性能，然后介紹了研究低維納米材料熱傳輸性質的重要性，隨后介紹一下石墨烯和納米碳管優(yōu)良的熱學性質，最后給出了本文的主要研究內容。
　　第二章主要講述了分子

3、動力學方法以及熱傳導的分子動力學模擬。利用分子動力學方法計算納米材料的熱流、溫度分布以及熱導率。
　　第三章中，我們主要通過周期性缺陷以及引入 C60分子來調控低維納米材料的熱導率。首先研究了完美石墨帶和有缺陷石墨帶的熱導率。我們發(fā)現(xiàn)在石墨帶中引入周期性的缺陷，特別是正方形的缺陷，能夠有效的降低石墨帶的熱導率。有意思的是，隨著長度的增加，完美石墨帶的熱導率逐漸增加，而具有缺陷石墨帶的熱導率幾乎不變。通過分析聲子平均自由程，我們發(fā)現(xiàn)

4、缺陷石墨帶的熱導率是由缺陷濃度決定的。這一結果有利于我們更好的了解聲子在石墨帶上的熱傳輸機制。此外，我們通過在納米碳管中引入 C60分子來控制碳管的熱導率。計算結果顯示，納米碳管的熱導率可以通過C60分子的數(shù)目來調節(jié)。隨著C60分子數(shù)目的增加，熱導率首先增加，然后呈現(xiàn)線性的遞減趨勢。這表明填充 C60分子的納米碳管可以作為很好的熱控制器。
　　第四章中，我們主要研究了節(jié)點以及邊界對石墨帶熱導率的影響。首先研究了完美石墨帶和鋸齒形狀

5、石墨帶的熱導率。鋸齒形狀石墨帶熱導率比完美石墨帶的要低很多。當石墨帶長度固定時，隨著片段石墨帶長度的增加，熱導率首先急劇的下降，然后呈緩慢上升趨勢。我們將此現(xiàn)在歸結為以下兩個原因：邊界粗糙和節(jié)點影響。此外，通過系統(tǒng)地研究石墨帶和納米碳管的熱導率我們發(fā)現(xiàn)ZGNR的邊界有利于聲子的傳輸，而AGNR的邊界不利于聲子傳輸。這一觀點與我們普遍認為的邊界不利于聲子傳輸這一觀點相違背。這對我們更好的理解聲子在石墨帶和納米碳管上的傳輸機制有很大的幫助。