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纳米多孔结构单晶硅热电薄膜声子热导率数值研究

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西安交通大学学报 2017年第5期51卷 23-30页

作者：毕成唐桂华傅博西安特种设备检验检测院西安710065 西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室西安710049

为降低多孔热电薄膜的热导率来提升其热电转换效率,基于离散坐标法和松弛时间近似模型求解声子Boltzmann输运方程,对单晶硅纳米多孔热电薄膜声子热导率进行了数值研究,获得了多孔硅薄膜厚度、孔隙率、边界镜面率和声子散射边界面积对其... 详细信息

为降低多孔热电薄膜的热导率来提升其热电转换效率,基于离散坐标法和松弛时间近似模型求解声子Boltzmann输运方程,对单晶硅纳米多孔热电薄膜声子热导率进行了数值研究,获得了多孔硅薄膜厚度、孔隙率、边界镜面率和声子散射边界面积对其热导率的影响规律,讨论了孔隙率、多孔薄膜厚度对薄膜各向异性导热特性的影响。结果表明:随着孔隙率的增加及薄膜厚度的减小,热导率逐渐降低;当孔隙率增加到64%,且硅薄膜厚度减小到块材料硅声子平均自由程的1/10时,与块材料热导率相比,薄膜热导率至少下降两个数量级。通过分析多孔薄膜中的热流分布特性,提出了优化设计薄膜多孔结构的方法,为设计低热导率高效热电薄膜提供了理论依据。

关键词：热电薄膜纳米多孔材料声子热导率单晶硅

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低温声子热导率的数值计算和数值模拟

低温物理学报 2005年第2期27卷 111-115页

作者：李波吴柏枚高惠平杜衎王明中国科学技术大学物理系中国科学技术大学物理系合肥230026 中国科学技术大学结构分析开放实验室合肥230026中国科学技术大学

为了计算Debye模型下的低温声子热导率,我们利用Gauss型求积公式的Gauss Legendre公式或者Laguerre公式把不可积的积分转化为代数求和;通过良好的计算机人机交互界面,很方便地设定参数、选择或者忽略指定的散射机制.利用这种方法,我们... 详细信息

为了计算Debye模型下的低温声子热导率,我们利用Gauss型求积公式的Gauss Legendre公式或者Laguerre公式把不可积的积分转化为代数求和;通过良好的计算机人机交互界面,很方便地设定参数、选择或者忽略指定的散射机制.利用这种方法,我们模拟计算了多种材料的低温声子热导,并且分析了多种散射机制对声子热导的贡献.通过对La系巨磁阻材料系列样品和Bi系高温超导体系列样品的研究,证明了我们的方法是可行的.对各类散射机制影响的分析,能够帮助我们深入地理解材料的物理性质.

关键词：声子热导率数值模型近似计算

硅的混合浓度对硅锗合金声子热导率影响的研究

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硅的混合浓度对硅锗合金声子热导率影响的研究

作者：邹裕隽江苏大学

学位级别：硕士

掺杂点缺陷对声子的散射是影响电绝缘体热导率的重要机制,其中声子频率和掺杂点缺陷浓度是影响声子散射的重要因素。论文首先对硅锗合金声子热导率的研究现状和发展作了简要的介绍和讨论。随后对声子热导率的理论进行介绍,结合具体的热... 详细信息

掺杂点缺陷对声子的散射是影响电绝缘体热导率的重要机制,其中声子频率和掺杂点缺陷浓度是影响声子散射的重要因素。论文首先对硅锗合金声子热导率的研究现状和发展作了简要的介绍和讨论。随后对声子热导率的理论进行介绍,结合具体的热导率模型给予说明。最后分析了硅的混合浓度对硅锗合金材料声子热导率的影响。在研究过程中,根据硅和锗两种材料性质的相似性,对Si、Ge的物理参数线性取值,以CaUaway模型和Holland模型为热导率研究模型,采用Gauss积分公式,将模型中不可积分式转化为代数式和,运用Matlab数学软件计算模型中的热导率及本征热导率,作图、对比、分析结果。研究表明,随着温度的升高,混合浓度掺杂对热导率的作用逐渐减弱。对比不同温度下,硅锗合金中本征热导率与声子热导率的比值,计算发现硅的混合浓度在65%附近,硅锗合金的声子热导率取得极小值。进一步以Klemens模型为物理模型,计算比较,分析了影响声子热导率取得极小值的因素。分析显示,当热导率取极值点时,硅的混合浓度在65%附近取值同材料的Gruneisen系数相关。最后介绍了Klemens模型、Callaway模型和Holland模型的适用条件。这些结果对研究热导率的有所帮助,同时有利于展开下一步工作。

关键词：硅锗合金本征热导率声子热导率混合浓度 Gruneisen系数

硅的浓度对Si-Ge合金声子热导率影响的数值研究

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科学技术与工程 2009年第13期9卷 3743-3745页

作者：邹裕隽于海群江苏大学能源与动力学院镇江212013

为计算硅的浓度对Si-Ge合金材料声子热导率的影响,利用线性插值的方法,对Si、Ge的参数进行取值。以Gauss-Legendre公式为基础进行数值积分,通过Matlab计算本征热导率与Callaway、Holland模型中声子热导率的比值。研究发现,当浓度fi与原... 详细信息

为计算硅的浓度对Si-Ge合金材料声子热导率的影响,利用线性插值的方法,对Si、Ge的参数进行取值。以Gauss-Legendre公式为基础进行数值积分,通过Matlab计算本征热导率与Callaway、Holland模型中声子热导率的比值。研究发现,当浓度fi与原子相对质量Mi满足关系:fGeMGe≈fSiMSi时,对声子热导率影响最大。

关键词：浓度本征热导率声子热导率

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FeMnAl合金低温声子热导率的反常行为

物理学报 1985年第6期 809-812页

作者：阎守胜高利明万君佐彭正伟应志强北京大学物理系

我们在4.2—30K测量了具有电阻负温度系数的晶态Fe-25Mn-5Al-0.2C合金的热导率,发现其声子热导率主要随温度线性变化,可能是由于Al的加入使电子平均自由程减小,从而对声子散射减弱所致。

关键词：电子热导率 FeMnAl 声子热导率反常行为低温

热电块材晶粒形态和尺寸应对声子热导率的影响

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热电块材晶粒形态和尺寸应对声子热导率的影响

氮化镓基异质纳米薄膜声子和热学特性的多物理场耦合效应研究

中国力学学会学术大会'2009

作者：杨育梅王省哲西部灾害与环境力学教育部重点实验室兰州大学土木工程与力学学院

热电材料作为一种将热能和电能相互转化的功能型材料,在致冷以及电力等方面有着广泛的应用。具有大的seebeck系数,高的电导率和较小的热导率是反映高性能热电材料优值系数的重要指标,有效地降低材料的热导率是提高材料热电性能的途径之... 详细信息

热电材料作为一种将热能和电能相互转化的功能型材料,在致冷以及电力等方面有着广泛的应用。具有大的seebeck系数,高的电导率和较小的热导率是反映高性能热电材料优值系数的重要指标,有效地降低材料的热导率是提高材料热电性能的途径之一。开展了热电块材微

关键词：热电材料纳米晶粒形状与尺寸效应声子热导率 Boltzmann方程界面散射

来源： cnki会议评论

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氮化镓基异质纳米薄膜声子和热学特性的多物理场耦合效应研究

作者：唐晓雅浙江大学

学位级别：硕士

作为典型的第三代半导体材料,氮化镓(GaN)具有优异的物理、化学特性,使其在制造高功率高频率电子器件、短波长光电子器件、高温器件和辐照器件中备受青睐。这些半导体材料及其器件在具体应用中将会处于多物理环境场,如电磁场、温度场、... 详细信息

作为典型的第三代半导体材料,氮化镓(GaN)具有优异的物理、化学特性,使其在制造高功率高频率电子器件、短波长光电子器件、高温器件和辐照器件中备受青睐。这些半导体材料及其器件在具体应用中将会处于多物理环境场,如电磁场、温度场、应力场或辐照场等,这些物理场将会对GaN基异质结构的材料性能以及器件内部温度场、电场/电流、应力场等物理场产生影响。目前,关于GaN基异质纳米薄膜在不同物理场作用下材料力学、热学性能的理论研究相对较少,本文以AIN/GaN/AIN多层异质纳米薄膜为对象,基于连续弹性模型和玻尔兹曼输运方程,定量研究了预应力和表面/界面应力对GaN基纳米薄膜声学声子及热导率的影响,并采用有限元方法进一步探讨了热导率的应力耦合行为对薄膜热传导的影响。首先,在连续介质力学框架内,利用声弹理论计算了不同预应力和层厚对GaN基异质纳米薄膜声子色散关系和群速度等的影响,研究结果表明正应力使声子能量减小而压应力增大了声子能量,且GaN层越薄,预应力的影响越显著;与此同时,采用Boltzmann输运方程给出了涉及预应力和温度的声子横向热导率的理论描述,数值计算结果表明SH和AS模态下正的预应力减小薄膜热导率,SA模态下正好相反。其次,研究表面/界面应力对GaN基异质纳米薄膜声子特性和热学性能的影响。基于连续介质力学方法,考虑表面应力对弹性模量的影响,采用弹性模型定量分析了表面/界面应力作用下的纳米薄膜量子限域声子特性,并进一步分析表面/界面应力与GaN基异质结构声子热导率的定量关系。计算结果表明:正(负)的表面/界面应力增大(减小)声子能量。在SH模态中,随着表面/界面应力由负到正,纳米薄膜的声子热导率随之增大,而在AS和SA模态中则相反。最后,基于上述研究结果,考虑GaN基异质纳米薄膜的多场耦合效应,探究了预应力加载下热导率应力耦合效应对结构热传导行为的影响。采用有限元方法求解了脉冲热源下半导体薄膜温度场和应力场的分布情况,发现压应力通过增大薄膜热导率使得薄膜的温度峰值降低,但使其温度响应速度加快,随着热源脉冲次数的增加,应力耦合效应的影响愈加显著。本文以AIN/GaN/AIN多层异质纳米薄膜为对象,定量分析了预应力、表面/界面应力对GaN基异质纳米薄膜声学声子及热学性能的影响,我们的研究结果表明:可以通过调节预应力和表面应力的大小和方向、温度及结构尺寸共同调控纳米薄膜的声子特性,进而调节其热导率。在此基础上探讨了热导率的应力耦合效应对半导体纳米薄膜热传导行为的影响,为半导体器件在多物理场作用下的安全性和稳定性提供了参考性结果,也为器件的精确设计和有效应用提供了理论依据。

关键词：氮化镓基异质纳米薄膜连续弹性模型预应力表面/界面应力声子特性声子热导率热导率应力耦合效应

石墨烯和硅烯纳米结构声子热输运性质的理论研究

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石墨烯和硅烯纳米结构声子热输运性质的理论研究

作者：于晓东中国矿业大学

学位级别：硕士

近年来,新型二维纳米材料研究推动了电子器件的小型化发展。二维纳米材料的热输运性质对纳米器件的散热管理和热电器件研究有着重要意义。本文采用非平衡态分子动力学方法研究了石墨烯基和硅烯基纳米结构的声子热输运性质,主要研究结果... 详细信息

近年来,新型二维纳米材料研究推动了电子器件的小型化发展。二维纳米材料的热输运性质对纳米器件的散热管理和热电器件研究有着重要意义。本文采用非平衡态分子动力学方法研究了石墨烯基和硅烯基纳米结构的声子热输运性质,主要研究结果为:1、研究了硅烯纳米管声子热导率的尺寸效应和同位素掺杂效应。发现在有限的长度内,热导率随纳米管长度单调增加,但是纳米管直径对硅烯纳米管声子热导率影响不大。随机掺杂方式和超晶格掺杂方式都可以显著降低热导率。在相同的掺杂浓度50%下,超晶格掺杂方式比随机掺杂方式引起硅烯纳米管声子热导率降低更大。随着Si/Si硅烯纳米管超晶格掺杂周期长度的减小,声子热导率先减小,在临界周期长度后异常增大。这是因为声子界面散射和声子隧穿之间的竞争可能导致临界周期长度处的声子热导率最小。2、研究了富勒烯(C)和碳纳米管(CNT)压痕石墨烯形成的局域应变对石墨烯纳米带热导率的影响。随着C和CNT压痕深度的增加,石墨烯纳米带的热导率分别不断降低;在相同压痕深度时,增大C数目导致石墨烯纳米带热导率下降更大。C和CNT与石墨烯纳米带相互作用强度对石墨烯声子热导率有重要影响。较强的表面相互作用会导致石墨烯纳米带较大的局域应变,因此声子散射的增强降低了石墨烯纳米带的声子热导率。3、研究了石墨烯/硅烯双层异质结构的声子热输运。发现石墨烯/硅烯异质结构的声子热导率介于单层石墨烯纳米带声子热导率和单层硅烯纳米带声子热导率之间。层间相互作用强度对异质结热导率有重要影响。随着层间相互作用强度增加,异质结中石墨烯纳米带声子热导率下降,然而硅烯纳米带声子热导率上升。

关键词：声子热导率石墨烯硅烯分子动力学模拟

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基于第一性原理的镁合金导热性能研究

基于第一性原理的镁合金导热性能研究

作者：崔洋上海交通大学

学位级别：硕士

镁合金具有轻质、高强、高导热等特性,广泛应用于电子通讯与航空航天等领域。传统的镁合金热导率表征方法是通过测试材料的密度、比热容以及热扩散系数,然后相乘得到合金热导率。这种方法一方面需要消耗大量的资源,另一方面所需时间较... 详细信息

镁合金具有轻质、高强、高导热等特性,广泛应用于电子通讯与航空航天等领域。传统的镁合金热导率表征方法是通过测试材料的密度、比热容以及热扩散系数,然后相乘得到合金热导率。这种方法一方面需要消耗大量的资源,另一方面所需时间较长。为了进一步提高镁合金材料的热导率表征效率,本研究提出了应用第一性原理与合金导热结构模型结合的方法对镁合金的热导率进行表征。本文通过引入常弛豫时间近似,结合密度泛函理论(DFT)与最大局域化Wannier函数(MLWFs)求解金属与第二相材料的电子热导率,简化了电子热导率的计算流程;在计算声子热导率时将Birch-Murnaghan状态方程与Debye模型引入Slack方程,提高了声子热导率的计算效率。采用上述方法计算了Mg、Al、Zn等金属与Mg Zn、MgAl等第二相在300～700 K温度范围内的电导率和热导率,计算结果与实测值吻合良好,验证了计算方法的准确性。计算表明,电子在金属及其第二相的热输运过程中,始终是最为有效的载流子,并且随着温度的升高,电子热导率的比例逐渐增加。同时,分析结果验证了魏德曼-弗兰兹定律在300～700 K温度区间内的有效性。对于镁合金的热导率计算而言,课题提出了将第一性原理计算与合金导热结构模型结合的方法。通过该方法计算了镁铝、镁锌、镁钇、镁钙四种合金的热导率,将计算结果与实验测量值进行对比验证方法的准确性。合金热导率的计算结果表明,本课题提出的合金热导率计算方法对于具有低固溶度的合金材料具有较高的准确度。而对于高固溶度合金,则需要严格考虑固溶原子对基体材料热导率的影响。

关键词：第一性原理镁合金声子热导率电子热导率