低维晶格体系中热整流的研究-物理学专业论文.docxVIP

湘潭大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 湘潭大学硕士学位论文 湘潭大学硕士学位论文 I I 摘 要 自上世纪末开始，得益于计算机技术的快速发展，人们在低维体系中的热传 导的计算模拟研究方面取得了长足的进步。低维体系由于受到空间维度的限制而 呈现出了与三维体系不同的宏观热输运性质，使得许多低维体系展现出广阔的应 用前景。对低维晶格模型热传导的早期研究中，人们就发现一些体系的热导率随 体系尺寸的增加而按幂指数规律增加，称之为反常热传导现象，这为设计（微） 小型集成电路中的高效散热组件、发展更高效的导热与隔热材料提供了一种可 能。近年来，一些纳米量级的热器件模型已经被人们设计出来，例如，热二级管、 热晶体管、热逻辑门器件、热存储器等，他们在热输运、热控制以及信息处理等 方面都具备潜在的应用价值。在这些热器件性质的研究中，对热器件热整流性质 的研究是最基本的研究内容之一。因此，如何有效的提高热器件的热整流以及实 现对热流的控制，是设计和制备更高要求热器件的必然要求。本文首先建立了两 个低维晶格模型，围绕如何提高和控制体系热整流这一问题，采用非平衡分子动 力学方法，对建立的低维晶格模型的热整流性质开展了研究。 (1) 我们研究了在基底对低维晶格热整流的影响。结果表明通过调节基底质 量和链间耦合系数可以达到调控低维晶格热整流的目的。由于在链间引入耦合作 用会在相互耦合的粒子间产生界面热阻，阻碍了热量的传输，导致系统总体热流 减小。基底质量与最大原子质量的比值 ??在0.5时热整流效果最好，而耦合系数 倾向于在比较大时，体系的热整流效果最好。相对于没有基底耦合，我们发现合 适的基底质量和链间耦合系数会使具有质量梯度的一维晶格链具有更高的热整 流效果，虽然整个体系的热流在减小，但其热整流因子却在提高。另外，从声子 模式匹配的角度我们很好的说明的模型中的热整流现象。 (2) 我们研究了两段具有质量梯度FK链耦合时体系的热整流性质。结果表 明，质量梯度链由于质量梯度的引入增加了相邻原子间的界面热阻，阻碍了热流 的传播，在相同条件下，其热流小于质量均匀链流过的热流，但是，具有质量梯 度链比不具有质量梯度链具有更好的热整流因子。同时，还可以通过改变两段FK 链原子相互作用势系数和外部势系数的关系来实现调节体系的热整流。原子相互 作用势系数对于正向热流和负向热流都有比较显著的影响，体系热整流因子可以 达到了500左右，其对热整流因子提高明显；外部势系数的关系对于正向热流影 响有限，而对于反向热流影响显著，通过调节外部势系数的关系，也可以达到好 的热整流效果，另外，通过调节左右两端链之间的原子相互作用势系数以及外部 势系数的关系，均可以实现对热流的反转，即负向热流从小于正向热流变为大于 II II 正向热流。为了更好的理解模型中的热整流现象，我们从声子模式匹配的角度进 行了说明。 关键词：低维晶格体系；非平衡分子动力学；基底耦合；热整流 PAGE PAGE IV Abstract From the end of last century, owing to the rapid development of computer technology, great progress has been made in the study of thermal conduction in low dimensional systems by computer simulation. Due to the restriction in space dimensions, low-dimensional systems exhibit different macroscopic thermal transporting properties from their three-dimensional countpart, which have wide applications