碳基超晶格结构中热输运性质的研究

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1、学校代码10530学号201510121215分类号O469密级硕士学位论文碳基超晶格结构中热输运性质的研究学位申请人周魁葵指导教师谢国锋教授学院名称物理与光电工程学院学科专业物理学研究方向计算物理学二〇一八年五月十八日Investigationonthermaltransportpropertiesincarbon-basedsuperlatticesstructuresCandidateKuikuiZhouSupervisorProfessorGuofengXieCollegeSchoolofPhysicsandOptoelectronicProgramPhysicsSpeci

2、alizationComputationalPhysicsDegreeMasterofScienceUniversityXiangtanUniversityDateMay2018摘要超晶格结构是一种能够改变材料的能带结构和其他物理性质的新型结构，其对材料热输运性质的调节已经引起了众多研究者的研究兴趣。当前的研究对超晶格中声子相干效应的观测仍然是一个巨大的挑战，而碳纳米管和金刚石作为两种热导率极高的碳基材料，同时在室温下又具有较长的声子平均自由程，这些特征使得它们成为研究声子相干效应的理想材料。因此，本文使用经典分子动力学模拟方法研究了碳纳米管超晶格和金刚石超晶格纳米线的热输运性质。

3、研究结果表明，热流自关联函数显示在室温下碳纳米管超晶格中有明显的声子相干共振效应，而分析声子振动模式参与率发现，相同SW缺陷浓度下碳纳米管超晶格的声子振动模式参与率更高，这是由于碳纳米管超晶格中周期分布的SW缺陷导致的声子相干共振效应使一部分声子能够隧穿通过SW缺陷。为了研究超晶格结构界面对声子相干效应的影响，我们对比计算了金刚石超晶格纳米线和硅锗超晶格纳米线的热导率。计算结果表明，在周期长度为25Å时，金刚石超晶格纳米线和硅锗超晶格纳米线的热导率随周期数有相同的递增趋势，在这两种超晶格的界面处并没有观测到声子局域化效应，说明界面效应没有破坏相干声子输运机制。当周期长度为103Å时

4、，金刚石超晶格纳米线的热导率随周期数持续增长，在界面处也没有观测到明显的声子局域化效应，相干输运机制仍然占据主导地位，但是硅锗超晶格纳米线的热导率收敛为一个固定值，并且在界面处观测到了明显的声子局域化效应，表明界面散射破坏了硅锗超晶格纳米线中的声子相干输运机制，非相干输运机制占据主导地位。我们的研究有助于人们更好地理解超晶格中的声子相干效应，更好地运用超晶格来调控材料的热导率。关键词：碳基材料；超晶格；声子相干效应；热导率；分子动力学IAbstractThesuperlatticestructureisanewtypeofman-madestructurethatcanchange

5、theenergybandstructureandotherphysicalpropertiesofmaterials.Itsregulationoftheheattransportpropertiesofmaterialshasattractedtheinterestofmanyresearchers.Currentresearchontheobservationofphononcoherenceeffectsinsuperlatticesisstillahugechallenge.Carbonnanotubesanddiamondsaretwokindsofcarbon-bas

6、edmaterialswithhighthermalconductivity,andtheyhavealongphononmeanfreepathatroomtemperature.Thesefeaturesmakeitanidealmaterialforstudyingthecoherenteffectsofphonons.Therefore,thethermaltransportpropertiesofcarbonnanotubesuperlatticesanddiamondsuperlatticenanowireshavebeeninvestigatedusingclassi

7、calmoleculardynamicssimulationmethods.Theresultsofthestudyshowthattheheatcurrentautocorrelationfunctioncalculationresultsshowthatthereisobviousphononcoherenceresonanceeffectinthecarbonnanotubesuperlattice.Theanalysisofthephononvibration