分形结构纳米复合材料热导率的分子动力学模拟研究

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．23(2014)236601分形结构纳米复合材料热导率的分子动力学模拟研究冰张程宾程启坤陈永平十(东南大学能源与环境学院，能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，南京210096)(2014年5月5日收到；2014年7月8曰收到修改稿)提出了一基于Sierpinski分形结构的Si／Ge纳米复合材料结构，以调控纳米复合材料的热导率．采用非平衡分子动力学方法模拟研究了分形结构Si／Ge纳米复合材料的导热性能，给出了硅原子百分比、轴向长度以及截面尺寸对分形结构纳米复合材料热导率的

2、影响规律，并与传统矩形结构进行了对比．研究结果表明，分形结构纳米复合材料增强了Si／Ge界面散射作用，使得热导率低于传统矩形结构，这为提高材料的热电效率提供了有效途径．Si原子百分比、截面尺寸、轴向长度皆对分形结构纳米复合材料热导率存在着重要影响．纳米复合材料热导率随着Si原子百分比的增加呈先减小后增加的趋势，随轴向长度的增加则呈单调增大趋势．关键词：热导率，分形，分子动力学，纳米复合材料PACS：66．70．一f．05．45．Df．31．15．XVDOI：10．7498／aps．63．236601Si／Ge合金薄膜的热导率是其

3、大体积情况下热导1引言率的1／5—1／3，并且有限尺度效应和试样尺寸是限制Si／Ge超晶格结构导热性能的主导因素．Chen热电材料是一种利用固体内部载流子运动实等[11]利用非平衡分子动力学方法模拟研究了晶格现热能和电能相互转换的功能材料，具有高效、清周期长度对Si／Ge超晶格结构热导率的影响，研究洁等优点，在热电制冷器、红外探测仪、超导电子表明，当晶格的周期长度小于声子的平均自由程仪、遥控导航系统等方面有着广阔的应用前景[1-3]．时，导热系数将会出现最小值．Yang和Chen[12J采其中，通过纳米技术制造的Si／Ge纳米复

4、合结构热用声子Boltzmann输运方程研究了Si／Ge管状纳电材料具有良好的机械性能、热学性能和电学性能，米线的热导率，研究表明，由于声子的弹道输运，故近年来备受关注[4-71．目前，热电材料的热电效Si／Ge管状纳米线的有效热导率不仅和si，Ge的组率通常采用无量纲热电优值ZT=STa／kfS为成比例有关，还和管状纳米线尺寸相关．随后，Li赛贝克系数，为电导率，k为热导率，为绝对温和Yang[13]采用平衡分子动力学方法模拟研究了度1进行评估．理想的热电材料应具备较大的ZT嵌入粒子的体积率和形状对纳米复合材料的影响，值，即具

5、备较高的赛贝克系数S及电导率与较低的热导率，降低热电材料热导率是提高热电材料研究表明：当体积率一定时，Si／Ge纳米复合材料ZT值的重要途径之一．为此，国内外学者开展了的热导率随粒子尺寸增加而呈先减小后增大的趋大量的复合结构热电材料热导率的理论和实验研势；正方体、球体和正四面体等嵌入的粒子形状对究，并取得了一定进展[s-16]．热导率也有重要影响．这意味着改变结构布置可优Cheaito等[1o]通过实验方法研究了尺寸效应化Si／Ge纳米复合材料的热导率．和边界散射对Si／Ge合金热导率的影响，研究发现，总的来说，现有纳米复合材料

6、研究己为Z值国家自然科学基金(批准号：11190015)和江苏省自然科学基金(批准号：BK20130621)资助的课题十通讯作者．E—mail：ypchen@seu．edu．an◎2014中国物理学会ChinesePhysicalSociety￡tp：／／wulixb．iphy．ac．c礼236601．1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．23(2014)236601向均为周期性边界条件，方向通过Nos6一Hoover3分子动力学模拟热浴施加微热流产生温度梯度并且热流沿Z方向流动．选用合适的势函数来描述系统内原

7、子问的相表1Si，GeTersof势函数的参数值互作用对分子模拟的准确性具有决定性作用．本文采用Tersof势函数【]描述Si，Ge原子之间的相互作用，在该模型中，系统总势能E为所有化学键的键能总和，即=∑蜀：专E，(2a)it≠J=fc(r)[，R(r)+6，A(r)]，(2b)式中，_厂R和，A分别表示原子之间的排斥和吸引作用，，C是一个光滑截断函数，它们的表达式可分别写为，R(r巧)=Aijexp(一／~ijrij)，(3a)．厂A(ru)=一Bexp(一Uijrij)，(3b)I1(r巧

8、c)I(R巧)，6=Xij(1+)／，(3d)=∑，C()9()，(3e)低温热浴夕()=1+荔2一干-i，(3f)高温热浴图。导热模型=(t+J)／2，(3g)在模拟中，系统粒子的初始速度服从GaussianUij=(Ui+uj)／2