低维纳米结构中的热输运与热电性质研究

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时间:2019-02-26

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1、湖南大学博士学位论文低维纳米结构中的热输运与热电性质研究姓名:谢忠祥申请学位级别:博士专业:物理学指导教师:陈克求20120530低维纳米结构中的热输运与热电性质研究摘要随着新材料技术和纳米技术的快速发展,器件尺度的纳米化已成为了一个不可避免的趋势。由于纳米器件的尺寸效应,它们展现了新颖的物理性质和非常广泛的应用前景。本论文通过运用Landauer输运理论结合散射矩阵或者非平衡格林函数的计算方法,研究了低维纳米结构中(纳米线、纳米带)的弹道声子热输运以及热电性质,获得了一些有意义的结果。首先,在弹性连续模型近似下,通过发展模匹配计算技术,我们研究了柱形纳米线中的弹道声子输运与热

2、导性质。结果显示声子输运在低频区呈现出周期性的输运行为;然而对于大的入射频率,由于激发的高阶模对声子输运有了贡献,输运系数变得非常复杂。对于一些特定的入射频率,声学声子模的共振透射和全反射行为能被观察到。在温度丁jO的极限下,热导趋向于普适的量子化值刀2尼:丁/3办,无关于纳米腔的几何结构参量。然而随着温度的持续增加,热导与温度的关系展现了非单调性行为,且热导敏感地依赖于纳米腔结构参量的变化。接着,我们通过运用非平衡格林函数方法,研究了含缺陷结构(空位缺陷和SW缺陷)锯齿形石墨纳米带中的声子热输运性质。结果发现边缘和局部缺陷的耦合效应在决定热输运性质中起着至关重要的作用。当入射

3、频率比较小时,空位缺陷对声子输运性质的影响要强于SW缺陷;然而当频率比较大时,情况刚好相反。在温度丁专。的极限下,所有的热导趋向于普适的量子化值3‰(‰=刀2七:丁/3向)。随着温度的持续增加,缺陷对石墨纳米带中热输运的影响表现出了从量子到经典特性的显著转变。这些结果表明调制石墨纳米带的结构缺陷和带宽能用来调控热导。我们也通过运用非平衡格林函数方法,研究了T型石墨纳米带中的热电性质湄控。结果碌示由于界面弹性散射,声予输运被强烈抑制;然而热功率S被提高到数倍于理想值。这些行为导致了Z丁因子的极大提高。而且适当地调整T型石墨纳米带的结构和边缘形状,Z丁因子的提高能变得更加明显。这些

4、结果表明调制T型石墨带的几何结构也许能有效地改善石墨纳米带的热电性能。此外,我们研究了非对称三端口石墨烯纳米结中的非线性声子输运性质。结果显示中间探针温度乃、展现出向上弯曲的抛物线行为。根据声子的非线性,热整流行为能够通过分析和数值计算得到,且整流效率远高于其他材料的整流效率。增加左右两个端口间的非对称度能明显地提高热整流效率。另外,中间端口不仅扮演着温度探针的作用,也能够有效地调整热整流行为。这些结果表明非对称三端口石墨烯纳米结也许能用于设计弹道热整流器。最后,我们研究了硼氮纳米带中的弹道热电性质。结果显示硼氮纳米带的电导,电了热导随着化学势阶梯状地增加,然而Seebeck系

5、数在第一个导带边缘呈博士学位论文现出非常尖锐的峰值,高达1200k/P。由于硼氮纳米带的宽带隙,它的电子热导远小于对应石墨纳米带的电子热导:然而功率因子数倍于石墨带的值。意味着硼氮纳米带的热电性质远优于石墨纳米带。当硼氮纳米带的尺寸增加时,电导的量子化平台逐渐被抹平,甚至消失;然而Seebeck系数急剧地减少。这些结果表明小尺寸的硼氮纳米带能用来提高热电器件的效率。关键词:柱形纳米线;纳米带:声子输运;热导;热电性质;热整流;非平衡格林函数低维纳米结构中的热输运与热电性质研究AbstractWiththerapiddeVelopmentofthenewmaterialtechn

6、ologyandnanotechnology,thereisanineVitabletrendforthedimensionofdeVicescomingintonanoscale.DuetothesizeeffectsofnanodeVices,theyexhibitmanynoVelphysicalpropertiesandVerybroadapplicationprospects.Inthepresentthesis,weinVestigatethethermaltransportbyphononsandthermoelectricpropertiesinnanostru

7、ctures(cylindricalnanowires,nanoribbons)byapplyingtheLandauertransporttheorycombiningwiththescatteringmatrixmethodorthe110nequilibriumGreen’sfunctionmethod,andgetsomemeaningfulresults.Firstofall!int11eelasticcontinuummodelapproximation,weinVestigat

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