低维系统热输运的分子动力学模拟.pdf

《低维系统热输运的分子动力学模拟.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、摘要在纳米管、纳米线、薄膜和石墨烯等低维系统中，由声子而产生的热导率和体材料是不同的。在体材料中，由于声子是自由扩散的，因而热导率是常量，其满足傅立叶定律，热导率与材料的温度有关，是材料的一种本征特性，而与材料的尺寸无关。但是理论和实验均表明，在低维系统中，热导率和体系的尺寸相关；理论研究表明在一维体系下，热导率与体系长度满足幂律关系，在二维体系下热导率与体系长度满足对数关系。我们利用分子动力学模拟研究低维系统热输运，Lammps作为一种较成熟的分子动力学模拟软件，可以成功并且高效的完成我们的模拟任务。首先我们以硅纳米线为模型，选取tersoff势函数，用平衡态分子动力

2、学方法研究在准一维情况下热导率与硅纳米线横截面积的关系。研究结果表明热导率已不再是常数，由于硅纳米线的表面积与体积的比例系数比体材料大的多，声子的表面散射降低硅纳米线热导率，所以模拟得到的热导率比体材料小，并且热导率依赖于体系尺寸，其随着横截面积的增加而增加。然后我们以石墨烯纳米带为模型，选取Airebo势函数，用非平衡态分子动力学方法研究了在不同宽度下石墨烯纳米带长度方向上的热导率与尺寸的标度关系，以准一维结构的4-ANGRs为具体模型，研究结果表明，热导率与纳米带长度满足幂律关系。增加纳米带的宽度，使纳米带过渡到准二维体系，如：20一AGNRs、40．AGNRs，模

3、拟结果表明，热导率与体系尺寸满足对数关系。最后我们用非平衡态分子动力学方法研究石墨烯纳米带层数与热导率的变化关系，研究结果表明，使用airebo势函数，无论是锯齿型石墨烯纳米带还是扶手椅型石墨烯纳米带，两层石墨烯纳米带热导率明显低于单层石墨烯纳米带，当石墨烯纳米带层数大于2时，热导率随层数的变化不大。关键词：低维系统，石墨烯纳米带，分子动力学，热导率AbstractThermalconductivityduetophononsinnanostructuressuchasnanotube，nanowire，thinfilmandgrapheneisdifferentfro

4、mthatofbulkmaterials．Inthebulkmaterials，phononstransportdiffusivelySOthatthermalconductivityisaconstant，independenceofmaterialsizeandgeometryandobeystheFourier’Slaw．It’Stheintrinsicpropertyofthematerialanddependsonlyoncompositionofmaterialandenvironmenttemperature．However,boththeoretical

5、andexperimentalstudiesinthepasttwodecadeshavedemonstratedthatthermalconductivityinnanostructurereliesonmaterialsizeandgeometry．Theoreticalcalculationshaveillustratedthatthelengthdependenceofthermalconductivitybehavesaspower·-lawforone··dimensionalsystemandincreaselogarithmicallyforthetwo

6、—dimensionalsystem．Usingmoleculardynamicmethods，weinvestigatethermaltransportinlow—dimensionalsystem．LammpsassuccessfulmoleculardynamicsimulationsoftwareCanfulfillthecomputationsefficientlyFirst，Siliconnanowires(SiNWs)ischosenasamodel．WithTersoffpotential，weuseequilibriummoleculardynamic

7、smethodstoelucidatetherelationshipbetweenthermalconductivityandthecrossoverareaofSiNWs．Ourcalculationdemonstratesthatthermalconductivityisnotaconstant．DuetothehighratebetweensurfaceareaandvolumeinSiNWsthescatteringbytheroughwiresurfaceinhibitsthermalconductivityofSiNWssuc