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低维纳米结构导热性质的分子动力学模拟与实验研究

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低维纳米结构导热性质的分子动力学模拟与实验研究

作者：李元伟清华大学

学位级别：硕士

随着纳米科学与技术的快速发展，高热流密度散热问题成为限制纳米器件尺寸进一步缩小的主要瓶颈之一，而低维纳米结构由于其优异的导热性能引起了人们的广泛关注。本文基于分子动力学方法研究了低维纳米结构的导热机理，并用于改善低维... 详细信息

随着纳米科学与技术的快速发展，高热流密度散热问题成为限制纳米器件尺寸进一步缩小的主要瓶颈之一，而低维纳米结构由于其优异的导热性能引起了人们的广泛关注。本文基于分子动力学方法研究了低维纳米结构的导热机理，并用于改善低维复合系统和聚乙烯纳米线的导热性能。采用分子动力学方法研究了低维材料的导热机理。探讨了弹道输运主导着的石墨烯的导热过程，发现石墨烯长度小于40nm时热导率与长度呈线性关系，导热为弹道输运;石墨烯长度大于40nm时热导率随长度呈指数趋势增大，导热为弹道-扩散输运。正是由于弹道输运控制着低维导热过程，发现含内热源碳纳米管处于弹道输运时的等效热导率仅为无内热源碳纳米管热导率的一半;变截面结构存在局部弹道热阻，发现变截面石墨烯喉部的局部弹道热阻反比于喉部的宽度（石墨烯最窄处宽度），而与系统的温度和形状无关。研究了低维复合系统的导热。采用平衡分子动力学方法计算了单壁碳纳米管（5,5）的热导率约为1736W/(m·K)，嵌入氩中时的热导率减小至441W/(m·K)，下降了75%。采用非平衡分子动力学方法研究了基底上石墨烯的导热。石墨烯的热导率随基底与石墨烯作用势的增强最大可下降20%，而石墨烯与基底组成的复合系统的整体导热能力随基底与石墨烯作用势的增强最大可提高35%。石墨烯与基底间的接触热阻是影响复合系统导热的另一关键因素。研究了聚乙烯纳米线的导热。采用非平衡分子动力学方法研究了聚乙烯分子链的热导率。当链长小于70nm时热导率与链长呈线性关系，导热为弹道输运，当链长大于70nm时热导率随链长呈指数规律增长，导热为弹道-扩散输运。利用改进的模板浸润技术制备了直径100nm和直径200nm的高密度聚乙烯纳米线阵列，采用纳秒激光闪光法测量了纳米线阵列的热导率约为10W/(m·K)，估算了单根纳米线的热导率达30W/(m·K)。制备工艺改善了聚乙烯分子链沿纳米线方向的定向度，通过强化导热低维效应提高了聚乙烯纳米线的导热性能。

关键词：低维纳米结构热导率低维效应弹道输运分子动力学

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低维纳米结构中声子输运性质的研究

低维纳米结构中声子输运性质的研究

作者：闫书焕中南大学

学位级别：硕士

近年来,半导体纳米器件进入了人们的视线,热导在控制这些器件的性能和稳定性等方面起着很重要的作用,因此纳米结构中的热输运性质的研究受到了极大关注,本文利用散射矩阵方法研究了量子线波导中声学声子输运和热导的性质。研究了部分重... 详细信息

近年来,半导体纳米器件进入了人们的视线,热导在控制这些器件的性能和稳定性等方面起着很重要的作用,因此纳米结构中的热输运性质的研究受到了极大关注,本文利用散射矩阵方法研究了量子线波导中声学声子输运和热导的性质。研究了部分重叠双封闭端量子波导在自由边界条件下声学声子的输运和热导性质。结果表明：由于结构的不连续,总的声学声子透射系数随着约化频率的变化关系表现为强烈的共振现象;当两端线高度同时变化时,禁止频率的数目等于两端线高度相对于主量子波导横向宽度的倍数;热导对端线高度的变化和重叠区域宽度变化都非常的敏感,并且随着温度的升高先减小后增加。研究了三端线的声学声子传输和热导率性质。我们发现：1)在上下端线重叠的三端子结构中,总的声学声子透射系数随着端线宽度的增加量子化台阶被破坏;温度较低时热导系数随结构参数的变化相对简单等;2)在上下端线不重叠的三端子结构中,由于激发模的产生,总传输系数在整数约化频率的时候发生跳跃;各个激发模所产生的温度条件不一样,温度越高,被激发的模越多,并且高阶模对热导的影响较小。研究表明：从研究的结构来看,声子传输和热导性质与不连续结构的形状和位置都有直接的关系;从研究的环境来看,声子传输和热导性质对量子线的温度环境相当敏感。

关键词：低维纳米结构散射矩阵方法声学声子输运热导

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低维纳米结构材料的低温液相合成与研究

低维纳米结构材料的低温液相合成与研究

作者：何晓燕东北师范大学

学位级别：硕士

纳米材料特殊的功能和效应,不但在学科发展上有重要意义,而且在应用上也有良好的前景,它为新材料的发展开辟了一个崭新的研究领域。通过大量文献调研发现,低维纳米材料的形貌、尺寸和结构直接影响着它们的性能。因此,探索不同的制备纳... 详细信息

纳米材料特殊的功能和效应,不但在学科发展上有重要意义,而且在应用上也有良好的前景,它为新材料的发展开辟了一个崭新的研究领域。通过大量文献调研发现,低维纳米材料的形貌、尺寸和结构直接影响着它们的性能。因此,探索不同的制备纳米材料并调控其形貌与尺寸的新方法,揭示纳米材料的微观结构、尺寸大小和形貌生长的规律,以指导进一步的实验研究和应用开发是本论文的宗旨。本论文成功地合成出了一系列的ABO4型化合物以及氢氧化物、氧化物纳米材料,实现了合成过程中对产物形貌与尺寸的调控,并探索了一条新的低温液相合成途径。1.)运用溶剂热辅助四元微乳体系(十六烷基三甲基溴化胺/环己烷/正戊醇/水),成功地合成了一系列磷酸盐纳米结构:磷酸钐纳米棒和磷酸氢锡花状纳米晶。探讨了反应参数对产物形貌与尺寸的影响。探索了一条采用磷酸聚合作用辅助自组装合成羟基磷灰石花状纳米结构的新途径。该方法实验装置简单、操作容易,无需高能耗和易损的复杂设备。2.)结合常规的非离子微乳体系和溶剂热条件实现PbXO4 (X = Cr, W)纳米棒的形貌可控合成,通过调节反应物浓度以及水和表面活性剂的摩尔比可以调控目标产物钨酸铅、铬酸铅纳米晶的尺寸和形貌,得到结晶良好的钨酸铅、铬酸铅纳米棒。3.)采用简单的配位体辅助自组装合成方法制备了梭形的氢氧化铕纳米晶,并且以制得的梭形氢氧化铕,在500?C煅烧10小时得到同样形貌的梭形氧化铕纳米晶。运用配位作用结合自组装合成方法制备了六边形盘状氢氧化钴纳米晶,并以此为前驱体进一步结合水热方法合成了六边形盘状的钴酸锂纳米晶。探索了一条新颖的配位体辅助低温液相合成纳米材料的方法。方法简单,易于操作。

关键词：低维纳米结构液相合成调控

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低维纳米结构材料的弹性性能研究进展

纳米科技 2008年第5期5卷 3-10,34页

作者：郭建刚赵亚溥天津大学力学系天津300072 中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室北京100080

文章从实验研究、理论分析和数值模拟三个方面分别介绍了目前国内外关于低维纳米结构弹性性能尺寸效应的研究现状，总结了现有的一些研究方法和结论。

关键词：低维纳米结构弹性性能表面效应尺寸效应

金属光子晶体薄板的超强透射及低维纳米结构中声子输运研究

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金属光子晶体薄板的超强透射及低维纳米结构中声子输运研究

作者：张海燕中南大学

学位级别：硕士

金属光子晶体平板的增强传输效应,是法布里腔的波导共振效应和金属光子晶体平板在表面上的周期性共同作用引起表面等离子体共振,从而提高了电磁波的传输的结果。基于其在滤波器件方面的应用,设计了在特定频段上的金属光子晶体平板结构... 详细信息

金属光子晶体平板的增强传输效应,是法布里腔的波导共振效应和金属光子晶体平板在表面上的周期性共同作用引起表面等离子体共振,从而提高了电磁波的传输的结果。基于其在滤波器件方面的应用,设计了在特定频段上的金属光子晶体平板结构。超晶格、量子阱和量子线等低维纳米结构的材料具有新颖的物理性质和广泛的应用前景,已成为凝聚态物理和材料科学中的研究热点,受到越来越多的关注。与此同时,纳米制备和加工技术的迅速发展,要求更深入地了解纳米器件、结构和材料的性质。本文对金属光子晶体平板的增强传输及低维纳米结构中的声子输运性质两个方面作了有益的探索,并获得一些有意义的结果。其主要工作如下:1.用全矢量的三维FDTD方法,分析了金属光子晶体平板的等离子体波增强传输效应。除了法布里腔的波导共振效应外,还有金属光子晶体平板在表面上的周期性结构也会引起表面等离子体共振从而提高了电磁波的传输。这种增强效应来自于两个不同的共振机制:局域的法布里腔的等离子体波波导共振以及由周期性引起的等离子体共振。分别通过零阶传输以及+1和-1阶等的衍射来研究这两种共振机制的,运用点群理论分析了不同结构中的这两个不同共振频率的场分布以及传输谱的峰位特性。2.采用散射矩阵方法,研究了低温下异侧双封闭端量子波导中声学声子的输运和热导性质。结果表明:每个声子模的阈值频率依赖于封闭端线的高度;由于两端线之间的耦合影响,热导随两端线之间宽度的变化呈现出振荡衰减的行为;另外,端线的宽度和高度对热导有着显著的影响。3.研究了低温下,双凹陷端对量子波导中的声学声子输运和热导的影响,并且与异侧双突起端结构中的透射和热导进行了比较。发现了一些有趣的现象:(1)随着凹陷端端线h(h≤10nm)的增高,量子波导中的声子透射系数迅速降低,由于较高的凹陷端线增强了量子波导中的声子的反射,零模的声子透射系数曲线中出现了较宽的禁止频带;(2)随着端线的增高双凹陷端量子波导中的热导迅速降低,而双凸起端量子波导中的热导降低较为缓慢;(3)声子透射系数与热导K/T对两凹陷端之间的宽度L变化都非常敏感。

关键词：金属光子晶体低维纳米结构耦合效应声子输运热导禁止频带

低维纳米结构氧化物的控制合成、生长机理及其性能

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中国科技成果 2018年第4期19卷 79-80页

低维纳米材料、纳米复合材料由于其特殊的微观结构及形貌，有望在电学、光学、电化学等领域获得常规材料所无法拥有的性能。随着近年来对高性能环境材料、发光材料等要求的提高，对纳米复合材料在相关领域的理论研究也越来越值得关注。

关键词：低维纳米结构控制合成性能生长机理氧化物低维纳米材料纳米复合材料微观结构

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钙钛矿锰氧化物低维纳米结构的制备与表征

钙钛矿锰氧化物低维纳米结构的制备与表征

作者：李磊南京大学

学位级别：硕士

钙钛矿结构锰氧化物由于同时存在电荷、自旋、轨道、晶格等多种自由度,它们之间很强的相互作用及相互竞争导致了一系列新颖的物理现象,如庞磁电阻效应、巨磁熵效应、金属-绝缘体转变、电子相.分离、电荷／轨道有序等现象,使其成为凝聚... 详细信息

钙钛矿结构锰氧化物由于同时存在电荷、自旋、轨道、晶格等多种自由度,它们之间很强的相互作用及相互竞争导致了一系列新颖的物理现象,如庞磁电阻效应、巨磁熵效应、金属-绝缘体转变、电子相.分离、电荷／轨道有序等现象,使其成为凝聚态物理学研究的热点.随着微电子器件日趋集成化和微型化,其特征尺寸越来越小,目前基于钙钛矿结构锰氧化物的微电子器件特征尺寸已经进入纳米尺度,因此,钙钛矿结构锰氧化物低维纳米结构的制备和表征变得尤为重要.本文利用溶胶-凝胶法、化学溶液沉积法及熔盐法制备了钙钛矿结构锰氧化物低维纳米结构,并对其物性和微结构进行了表征.首先利用溶胶-凝胶法制备出了La0.7Ca0.3MnO3纳米晶,研究了退火温度与退火时间对样品微结构的影响.X射线衍射(XRD)结果表明样品的结晶性良好、无杂相,样品为正交晶系;随退火温度的升高,样品的晶胞体积有增大趋势;扫描电子显微镜(SEM)和X射线能量色散谱(EDX)结果表明,在退火温度较低时样品呈现片状结构;退火温度较高时样品颗粒状比较明显;样品的化学组成与名义配方相接近.透射电子显微镜(TEM)与高分辨电子显微镜(HRTEM)像表明样品颗粒尺寸接近20 nm,并且当退火温度增加时样品颗粒尺寸也增大;单个颗粒样品的高分辨晶面条纹像表明样品具有良好的结晶性;选区电子衍射(SAED)谱图中的多晶衍射环与相应的XRD谱图中的衍射峰相对应.超导量子干涉仪(SQUID)测量表明,退火温度为6000C和650℃的La0.7Ca0.3MnO3样品铁磁-顺磁转变温度(居里温度,TC)分别为267K和268K,但700℃下退火的样品Tc值仅为250K.同一样品当外加0.1 T的磁场后,其Tc升高2K左右.磁滞回线测量结果表明,样品在5K时表现为铁磁态,而在300K时为顺磁态.综合物性测量系统(PPMS)测量结果表明,退火温度为600℃C、650℃C和700℃得到的La0.7Ca0.3MnO3样品在不加磁场时金属-绝缘体(M-I)相变温度(TP)分别为265.6K、267.7K和248.5K.而当外加磁场5 T后,样品的TP向低温方向移动.MR曲线表明,样品磁电阻ρ(H)和ρ(0)分别为在磁场H中和无磁场样品的电阻率)随外加磁场增强而下降,这表明样品具有负磁阻效应.利用了化学溶液沉积法在YSZ(100)和MgO(100)单晶衬底上制备了钙钛矿锰氧化物纳米岛结构,并利用原子力显微镜(AFM)和TEM对样品进行了表征.结果表明,采用浓度0.3 M溶胶在YSZ衬底上制备的La0.7Sr0.3MnO3 (@1000℃下退火12 h)纳米岛横向尺寸～780nm,纵向尺寸～110 nm,岛面密度约为8个/μm2;而当溶胶浓度降为0.03 M后,纳米岛的横向尺寸变为550 nm左右,纵向尺寸约50nm,岛面密度降为2个/μm2.采用溶胶浓度为0.03 M@1000℃退火1h在MgO衬底上生长的La0.875Ca0.125MnO3纳米岛横向尺寸～150nm,纵向尺寸～17 nm,岛面密度约为11个/μm2;而保温时间为3 h时,纳米岛横向尺寸接近1 μm,纵向尺寸超过100nm,岛面密度约为1.5个/μm2.因此,制备La0.7Sr0.3MnO3纳米岛较适合的工艺参数为：@1000℃退火12 h,前驱体溶液的浓度在0.03 M左右：对于La0.7Ca0.3MnO3纳米岛的制备,@1000℃退火时间小于1 h.利用了熔盐法制备了La0.7Ca0.3MnO3及La0.5Ca0.5MnO3纳米晶.XRD结果表明,两组样品的主要衍射峰都与La0.8Ca0.2MnO3 (JCPDS-No.44-1040)卡片上的峰相吻合,由此确定它们的晶体结构为近似于立方相的单斜晶系.随着退火温度的升高,La0.7Ca0.3MnO3样品的杂相减少.同时,两组样品的晶胞体积也略有增加.TEM像表明样品的颗粒尺寸接近20 nm,单个颗粒的高分辨晶格条纹像表明样品具有良好的结晶性.PPMS物性测量表明,在300K下样品呈现顺磁态,5K下为铁磁态,其铁磁-顺磁相转变温度,Tc接近270K;La0.7Ca0.3MnO3纳米晶的饱和磁化强度大于La0.5Ca0.5MnO3纳米晶的饱和磁化强度.当外加磁场时,样品电阻率减小, M-I相变温度(Tp)降低.另外,当样品退火温度升高时,TP值也降低.相同制备工艺条件下,La0.5Ca0.5MnO3纳米晶的TP值低于La0.7Ca0.3MnO3.

关键词：钙钛矿锰氧化物低维纳米结构溶胶-凝胶法化学溶液沉积法熔盐法物性及微结构表征

SiC低维纳米结构光电探测器件研制及其性能研究

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SiC低维纳米结构光电探测器件研制及其性能研究

作者：种海宁太原理工大学

学位级别：硕士

SiC是第三代半导体材料，具有禁带宽度大、热导率高、电子饱和漂移速度高、临界击穿场强高、本征载流子浓度低、抗辐照能力强、化学稳定性好等优异物理特性，且与当前成熟的硅基平面工艺相兼容，是研发高温、高频、耐高压、抗辐照，大... 详细信息

SiC是第三代半导体材料，具有禁带宽度大、热导率高、电子饱和漂移速度高、临界击穿场强高、本征载流子浓度低、抗辐照能力强、化学稳定性好等优异物理特性，且与当前成熟的硅基平面工艺相兼容，是研发高温、高频、耐高压、抗辐照，大功率等电子器件的理想材料，在用作苛刻工作条件下的光催化剂，气敏检测器、显示器、气敏传感器和导弹尾焰探测装置等领域具有重要应用前景。SiC低维纳米结构不仅保留了其块体结构的优异性能，还兼具低维纳米结构的独特优势，有望为新颖高效的微电子器件研发带来契机。本论文以化学气相沉积法制备SiC单晶纳米线，通过工艺参数的探索和优化，实现高品质SiC单晶纳米线的制备。在器件设计和组装上，通过光刻和电子束沉积技术，实现单根SiC纳米线光电探测器的研制;通过溶液组装方法，实现了SiC单晶纳米线薄膜光电探测器的研制，通过介电泳力自组装技术，实现了基于Si/SiO2和柔性基底上的SiC有序纳米线阵列光电探测器研制。研究结果表明，所研制的光电探测器具有高灵敏、快响应、可重复性高等系列特点。综合本论文工作，其主要结果如下：(1)以稻米壳烧灼后的白粉、碳纤维为原料，通过化学气相沉积，成功地制备了高质量的3C-SiC单晶纳米线。其结构表征分析结果表明，所制备的SiC纳米线为单晶，为立方相结构。(2)所研制的单根SiC光电探测器具有良好的性能：快速的上升和下降光响应时间，分别为0.2s和0.09s;较高的光谱响应度(Ri)和外量子效率(EQE)，在5.0V偏压和420nm蓝光光照下，其Ri和EQE分别为3.3106A/W和9.7108%，表明所研制的器件具有良好的灵敏度。实验证明，所研制的光电探测器，能够胜任200℃的高温服役条件。(3) SiC单晶纳米线薄膜光电探测器对于420nm光照下光响应十分灵敏，具有优异的可重复性和稳定性，光生电流和光功率密度为近线性关系。(4)与基于单根SiC纳米线的光电探测器相比，基于Si/SiO2和柔性基底上的SiC有序纳米线阵列的光电探测器性能得到显著增强;基于柔性基底上的SiC有序纳米线阵列光电探测器具有良好的机械柔韧性和电学稳定性，与基于Si/SiO2基底上的SiC有序纳米线阵列的光电探测器相比，其光、暗电流有所增加，可能是纳米线和柔性基底的接触较差所致。

关键词：气相沉积 SiC 低维纳米结构单晶光电探测器

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氮化镓低维纳米结构的制备与表征

山东大学学报（工学版） 2007年第1期37卷 10-14页

作者：吕伟吴莉莉邹科吴佑实山东大学材料科学与工程学院山东济南250061

主要是以氧化镓为原料,通过气相沉积法,制备出GaN纳米线和纳米带.通过X-射线衍射(XRD),扫面电镜(SEM)和高分辨透射电镜(HRTEM)等测试手段对其形貌进行了表征和分析.研究了实验过程中工艺条件的改变对所制备GaN纳米结构形貌特征的影响.... 详细信息

主要是以氧化镓为原料,通过气相沉积法,制备出GaN纳米线和纳米带.通过X-射线衍射(XRD),扫面电镜(SEM)和高分辨透射电镜(HRTEM)等测试手段对其形貌进行了表征和分析.研究了实验过程中工艺条件的改变对所制备GaN纳米结构形貌特征的影响.对两种GaN纳米材料的拉曼散射光谱进行了分析.

关键词：氮化镓低维纳米结构表征