飛秒、納米時/空尺度熱輸運機理研究

《飛秒、納米時/空尺度熱輸運機理研究》是依託大連理工大學,由唐大偉擔任醒目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：飛秒、納米時/空尺度熱輸運機理研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：唐大偉

項目摘要

飛秒、納米時/空尺度下熱輸運過程具有強烈的非平衡特徵，是目前熱物理界乃至物理界迫切需要解決的最前沿難題之一。本課題以實驗為主導，理論分析與數值模擬為支撐，系統研究飛秒時間尺度下多載能粒子熱輸運機理和納米空間尺度下材料內部、界面的熱輸運特性。主要工作包括：建立雙波長飛秒雷射抽運探測系統，大幅（3個數量級）提高測量精度，解決常規單波長系統中信噪比過低的難題；並結合近場光學系統，同時實現飛秒、納米時/空分辨的動態熱輸運特性測量，揭示固-固界面熱整流現象以及界面熱阻受尺度、結構影響的規律；採用求解BTE的方法分別對多載能粒子系統的各亞系統進行模擬，引入並實驗獲得亞系統之間相互作用的弛豫時間，揭示多載能粒子系統熱輸運過程的物理本質。本課題可推進飛秒、納米時/空尺度下熱輸運理論框架的完善，為解決高頻高熱流微電子器件熱管理及超短脈衝雷射微加工等過程中的熱設計問題提供科學依據。

結題摘要

飛秒、納米時/空尺度下熱輸運過程具有強烈的非平衡特徵，是目前熱物理界乃至物理界迫切需要解決的最前沿難題之一。本項目以實驗為主導，理論分析與數值模擬為支撐，系統研究飛秒時間尺度下多載能粒子熱輸運機理和納米空間尺度下材料內部、界面的熱輸運特性。項目嚴格按照任務書執行，取得的主要成果包括：完成了現有飛秒雷射抽運-探測熱反射（TDTR）系統的雙波長升級改進，信噪比提高3個數量級；建立了近場光學-TDTR熱輸運測量系統，實現了百飛秒時間/百納米空間的超高分辨；拓展了3ω系統的套用範圍，實現了各向異性薄膜3D熱輸運測試。實驗上，獲得了納米薄膜、納米固-固界面、固-液界面、納米管/線陣列、微納多孔材料、二維半導體材料等的熱輸運特性隨尺度、結構、溫度、應力的變化規律；理論上，建立了基於第一性原理、Boltzmann方程及經典分子動力學的熱輸運理論框架，實現了低維碳材料、熱電轉換材料、儲能材料、高定嚮導熱材料、非晶結構、納米複合結構、納米高分子鏈結構等的熱、電輸運特性的計算。實驗與理論相結合，揭示了低維納米材料、固-固和固-液界面熱輸運機理，提出了材料熱導率及界面熱導的調控方法；獲得了各向異性材料、納米多孔結構、管/線陣列內部及其與基底材料界面等的熱輸運特性；提出了改進的載能粒子超快動力學模型，準確描述了摻氮多晶碲化鋅薄膜在超快雷射作用下的非平衡熱輸運過程。本項目所取得的成果，可推進飛秒、納米時/空尺度下熱輸運理論框架的完善，為解決高頻高熱流微電子器件熱管理及超短脈衝雷射微加工等過程中的熱設計問題提供科學依據。 共發表學術期刊論文46篇，SCI檢索40篇，其中影響因子7以上11篇，包括影響因子20以上2篇。出版著作章節3章。授權專利16項。培養博士生8名、碩士生9名。