低維納米體系熱傳導的模擬和計算研究

《低維納米體系熱傳導的模擬和計算研究》是依託復旦大學，由龔新高擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：低維納米體系熱傳導的模擬和計算研究
• 依託單位：復旦大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：龔新高

項目摘要

隨著納米科學與工程技術的發展，納米尺度上的熱傳導問題已經成為全世界科.學家關注的焦點。儘管有了十多年的研究歷史，但是納米尺度上的熱傳導機制仍有很多問題不清晰。雖然在理論上發展了幾種計算納米尺度熱傳導的研究方法，但是各種計算方法所得的結果有不小的差異，表明對這一物理過程的認識還不足，遠落後於對納米尺度上電子輸運的研究。在調控納米體系熱傳導性質方面的研究更是處於起步階段。本項目將從基本物理原理出發，結合第一性原理和分子動力學方法，探索計算納米結構熱導的可靠計算方法，研究微納尺度熱傳導的基本規律，開發出一套能準確計算材料晶格熱導率的程式。在此基礎上，我們還將研究低維納米體系熱導性質與其結構和環境的關係。探索調控納米材料的熱傳導的可能性，設計具有特殊傳導性能的納米結構。此外，我們還將進一步開拓納米體系中電子熱導的研究。

結題摘要

本項目針對納米體系的特點，探索了多種計算晶格熱導的計算方法，包括基於分子動力學的直接法、Muller-Plathe以及Green-kubo,正則模式分析法。也嘗試了非平衡格林函式法，玻爾茲曼輸運方程。儘管這些方法在原理上是一樣的，對於一些模型體系（如：固體氬）也能夠得到一致的結果，但是由於納米體系尺寸常常與其聲子的自由程相比擬，不同的方法對不同體系可能會有不同的結果。 本項目採用自己發展的計算方法，對一些納米體系的基本規律進行了探索。主要在如下三個方面取得了進展。（1）無序對二維體系熱導的影響除，對於無序體系，熱導率與聲子平均參與熱導的程度成線性關係， 而對於有序體系，熱導率與不等價原子的數目的倒數具有線性關係。這結果有助於理解二維材料的結構與熱輸運之間的關係，為調控體系的熱輸運提供理論指導，促進熱輸運器件的研究。（2）多層石墨帶的熱傳導及其隨層數和尺寸的依賴關係：我們明年發現，石墨帶熱導率對於層數有著明顯的依賴關係，隨著石墨帶層數的增加熱導率逐漸減少並趨於一個穩定值。通過進一步地分析我們發現，不同層石墨帶上垂直於熱傳導平面方向的聲子模式通過層與層之間的耦合導致了多層石墨帶體系相比於單層石墨帶熱導率的下降。這項研究對於闡明和理解納米體系與巨觀體系大相逕庭的熱傳導行為有著非常重要的幫助，並且為通過調控石墨帶等納米材料的熱導率提供了理論基礎。（3）石墨烯中非對稱晶界導致新奇的熱整流效應：我們發現非對稱晶界同樣有著很高的卡皮查邊界熱導率，並且該熱導率隨著溫度的上升而上升。 在含有非對稱晶界的石墨烯中發現了一種新奇的熱整流效應。該效應與石墨烯的平均溫度以及石墨烯兩端的溫度差均有著強烈的依賴關係。通過調節石墨烯的溫度分布，這種新發現的熱整流效應強度能夠與之前已經提出的傳統熱整流效應的強度不相上下。這是第一次在納米材料的晶界中發現熱整流的現象存在。這項研究對未來的熱整流器件的研究提供了一種新的思路，並且給含有非對稱晶界的多晶石墨烯指出了一個新的潛在套用領域。在JACS、Nano Lett等期刊上發表論文10餘篇。