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纳米结构声子热输运特性的理论研究

纳米结构声子热输运特性的理论研究

作者：蒋永强东南大学

学位级别：硕士

随着微机电系统(MEMS)技术的发展,材料的特征尺寸不断缩小到纳米级,由此产生的尺寸效应和表面效应,使得MEMS构件的物理性质明显异于体态材料。纳米材料的热输运特性影响着电子器件和系统的可靠性和工作效率,因此分析纳米结构中的声子热... 详细信息

随着微机电系统(MEMS)技术的发展,材料的特征尺寸不断缩小到纳米级,由此产生的尺寸效应和表面效应,使得MEMS构件的物理性质明显异于体态材料。纳米材料的热输运特性影响着电子器件和系统的可靠性和工作效率,因此分析纳米结构中的声子热输运特性具有重要的意义。当材料的特征尺寸达到能量载流子的特性尺寸时,其导热系数不再是材料的本质属性,而是受到材料的尺寸、结构和边界等因素影响。所以,在低维纳米结构中,宏观体材料的热输运理论已不再适用,需要从量子力学的角度研究系统的声子热输运性质。本论文中首先介绍了课题的研究背景和相关二维纳米材料的研究现状。接着对声子热输运基本理论和计算方法进行了详细综述,包括计算晶体色散关系的晶格动力学方法和第一性原理计算方法。这些方法将在下面章节中分别用来研究硅纳米薄膜和单原子层材料的声子性质与导热系数。在本文中提出了一种大尺度晶格动力学方法,并利用这种方法对光滑硅薄膜的声子色散关系进行了验证,通过比较超原胞和单原胞的声子色散关系,证实了所提方法的正确性。计算结果表明,纳米级厚度的硅薄膜的导热系数比体态硅的导热系数小两个数量级。运用该方法研究了二维多孔硅薄膜的色散关系,进一步研究硅声子晶体色散关系与孔隙度和厚度的关系。结果发现,孔的存在降低了三个声学支的声子群速度;随着孔隙度的增加,声子群速度快速下降;增加薄膜厚度主要增加了法向声子群速度。利用第一性原理计算方法对二维单原子层材料的热学性质和声子散射机制进行了讨论。首先,研究了单层石墨烯和硅烯的导热系数和声子散射机制,比较两者之间的差异,包括声子色散关系、声子弛豫时间、三声子散射相空间以及各个声子支对导热系数的贡献率。结果发现二者的导热系数和声子性质存在很大的差异。然后,研究了第三主族元素硼、铝、镓、铟的单层氮化物h-BN、h-AlN、h-GaN和h-InN的热输运性质。研究结果发现,随着原子序号的增加,声子色散带隙变宽,导热系数降低。这种变化趋势是由于氮化物两个原子质量和原子半径决定的。在文章的最后,是整篇论文工作的一个总结和展望。

关键词：硅薄膜晶格动力学二维材料第一性原理导热系数声子

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单壁碳纳米管的三声子倒逆过程

郑州大学学报（工学版） 2009年第1期30卷 152-155页

作者：顾云风陈云飞东南大学机械工程学院江苏南京211189 南京林业大学机械电子工程学院江苏南京210037 东南大学MEMS教育部重点实验室江苏南京210096

介绍了单壁碳纳米管的三声子倒逆过程弛豫率的计算,建立了倒逆过程的选择定则,提出了弛豫率的计算公式以及高温和低温极限下的近似计算公式.在线性色散关系下弛豫率在高温时与频率的平方成正比;在低温极限时弛豫率随温度的倒数是按指数... 详细信息

介绍了单壁碳纳米管的三声子倒逆过程弛豫率的计算,建立了倒逆过程的选择定则,提出了弛豫率的计算公式以及高温和低温极限下的近似计算公式.在线性色散关系下弛豫率在高温时与频率的平方成正比;在低温极限时弛豫率随温度的倒数是按指数律变化;在高温极限时,弛豫率随温度线性增长.在考虑全部色散关系时,随着散射通道的增加,横波声子的总弛豫率曲线随频率增长时出现大量不连续点,并且光学声子的加入使总弛豫率增长了至少一个数量级.

关键词：碳纳米管倒逆过程弛豫率声子

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Ⅰ-型笼合物Ba8Ga16Ge30笼的应变声子谱

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山西大学学报(自然科学版) 2018年第3期41卷 533-537页

作者：宋阳苏耀恒夏明岗程琳吕正西安交通大学理学院西安工程大学理学院

文章使用简化模型结合物理近似的方式对Ba8Ga16Ge30进行应变声子谱的研究。采用合理简化的物理模型,由经典的晶格动力学理论得到了未加应变和加应变两种条件下的布里渊区声子谱。结果显示,沿第一布里渊区高对称方向有两支声学声子谱和... 详细信息

文章使用简化模型结合物理近似的方式对Ba8Ga16Ge30进行应变声子谱的研究。采用合理简化的物理模型,由经典的晶格动力学理论得到了未加应变和加应变两种条件下的布里渊区声子谱。结果显示,沿第一布里渊区高对称方向有两支声学声子谱和六支光学声子谱。单轴拉伸应变下声子频率减小,单轴压缩应变下声子频率增大,而切应变导致LA声子增大,TA声子减小。据此提出采用应变的方式来调控该材料的热学性质,以期实现材料热调控的同时提高它的热电转换效率。

关键词：声子 Ba8Ga16Ge30 应变

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纳米晶体颗粒的声子布里渊光谱研究

半导体光电 2001年第3期22卷 207-210页

作者：黄建平王麓雅李桂梅湖南师范大学湖南长沙410006 湖南商学院湖南长沙410012

以声子格林函数理论为基础 ,推导了简立方纳米晶体颗粒的声子布里渊光谱的线形公式 ,并给出了数值计算的结果。计算结果表明 ,在纳米晶体颗粒中 ,声子能带分裂为一系列能级 ,由于平移对称性被破坏 ,准动量不再守恒 ,除了长波长声子外 ,... 详细信息

以声子格林函数理论为基础 ,推导了简立方纳米晶体颗粒的声子布里渊光谱的线形公式 ,并给出了数值计算的结果。计算结果表明 ,在纳米晶体颗粒中 ,声子能带分裂为一系列能级 ,由于平移对称性被破坏 ,准动量不再守恒 ,除了长波长声子外 ,短波长声子也参与了布里渊散射 ,致使布里渊光谱发生了分裂和蓝移 ,分裂间隔和蓝移随纳米晶体颗粒尺寸的减小而增加 ,该项研究成果可应用于纳米晶体颗粒尺寸的测量。

关键词：纳米晶体颗粒布里渊光谱声子

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Cd_(1-x)Mn_xTe/CdTe量子阱中电子-LO声子散射率

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量子电子学报 2017年第1期34卷 94-98页

作者：陈莎王海龙陈丽李正龚谦曲阜师范大学物理工程学院山东曲阜273165 中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室上海200050

基于费米黄金法则,理论计算了Cd_(1-x)Mn_xTe/CdTe量子阱中第一激发态到基态的电子-LO声子的散射率,讨论了平均散射率随阱宽、温度及Mn组分的变化规律。结果表明:电子-LO声子的散射率随总初态能的增大逐渐减小;散射率和平均散射率随阱... 详细信息

基于费米黄金法则,理论计算了Cd_(1-x)Mn_xTe/CdTe量子阱中第一激发态到基态的电子-LO声子的散射率,讨论了平均散射率随阱宽、温度及Mn组分的变化规律。结果表明:电子-LO声子的散射率随总初态能的增大逐渐减小;散射率和平均散射率随阱宽增大先增加后减小,最大值出现在20 nm阱宽附近,当阱宽大于等于20 nm时散射会发生"中断";散射率和平均散射率随温度的增加逐渐增大,温度较低时平均散射率的变化不明显,温度较高时变化显著;量子阱中电子-LO声子的平均散射率随Mn组分的增大逐渐减小。

关键词：光电子学散射率费米黄金法则 Cd1-xMnxTe/CdTe量子阱声子

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NV色心系统中的声子辅助非互易研究

NV色心系统中的声子辅助非互易研究

作者：李国娇陕西师范大学

学位级别：硕士

光隔离器、光循环器、光放大器等非互易器件可以实现对光的方向控制,是构建光信息网络的关键元器件,在全光通讯领域中占据极其重要的地位。基于手性量子相干效应,人们在光隔离器等非互易光学器件方面的研究取得了非常丰富的成果,比如利... 详细信息

光隔离器、光循环器、光放大器等非互易器件可以实现对光的方向控制,是构建光信息网络的关键元器件,在全光通讯领域中占据极其重要的地位。基于手性量子相干效应,人们在光隔离器等非互易光学器件方面的研究取得了非常丰富的成果,比如利用非平衡耦合实现高保真度光隔离、利用原子热运动导致的多普勒频移实现无磁光隔离与光循环器等等。手性光子晶体波导-NV色心杂化量子系统提供了一个很好的实现光学非互易的固态平台,声子耦合可以有效避免微波带来的串扰问题。基于此,我们基于声子辅助耦合,研究了该杂化系统中的非互易现象。主要研究内容如下:1.提出一个嵌入NV色心的手性光子晶体波导-声子晶体杂化量子系统,详细探讨了声子对该系统透射率的相干调控效应。引入磁场消除简并,结合该系统中声子诱导的消相干效应,该结构的透射特性呈现出很强的非互易特性,可以实现四通道的光隔离。2.设计了光子晶体光波导-圆盘腔-NV色心杂化量子系统,并利用声子辅助二阶混频过程提出非互易光放大方案。通过求解体系海森堡方程,得到光子的直接透射率与混频光子透射率详细表达式,进一步探讨了各参数对透射率的影响。磁场的引入消除NV色心的能级简并,打破体系洛伦兹对称性。研究表明,适当控制NV色心与腔模的耦合及手性光波导与圆盘腔之间的耦合,可以实现非互易的光子放大。

关键词：手性量子光学声子光隔离非互易光放大

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石墨烯的声子散射及热物性的理论研究

石墨烯的声子散射及热物性的理论研究

作者：俞炜南京林业大学

学位级别：硕士

声子学，一种用热处理信息和智能控制热流的新型科学和技术，已经成为纳米科学和纳米技术中最热门的研究方向之一，许多重要的热学（声子学的）器件已经由理论上提出。随着纳米技术的发展，使得制造出比电子和声子平均自由程更小的结构... 详细信息

声子学，一种用热处理信息和智能控制热流的新型科学和技术，已经成为纳米科学和纳米技术中最热门的研究方向之一，许多重要的热学（声子学的）器件已经由理论上提出。随着纳米技术的发展，使得制造出比电子和声子平均自由程更小的结构成为可能，例如热整流器、热晶体管、热逻辑门，热记忆材料。在过去数年中，因为石墨烯及其衍生出的纳米结构在声子学中潜在的应用价值，并且由于纳米电子学中功率损耗越来越大，悄悄地破坏着器件的功能，减少其寿命，所以，这个尺度上的声子输运引起了人们极大的研究兴趣。以往研究表明由声子主导的石墨烯热导率很高，石墨烯纳米带（GNRs）同样如此。然而基于声子气的热传导模型现在还是不够完善，声子输运的物理描述并完善，并且低维纳米结构中的声子色散关系往往比较复杂，使得分析更为困难。论文介绍了不同带宽的AGNRs和ZGNRs的分类方法和布里渊区的分析过程。使用力常数方法（FCM）来获得所有的声子色散关系，没有使用色散关系的线性近似，各向同性假设，并且分析比较了各个分支的群速度和态密度并且计算了各个声子分支的比热。介电晶体的三声子倒逆过程的弛豫率可以用一些经典的近似公式描述，文中公式很成功地应用于石墨烯、碳纳米管和石墨烯纳米带。利用弛豫时间近似，在玻耳兹曼方程和傅立叶定律的基础上获得热导率的计算公式并通过Matlab软件编写的程序获得上述研究内容的直观示意图。本文通过对石墨烯纳米带的模拟计算，表明了类似于石墨烯的高热导率。根据计算可以认为石墨烯纳米带是一种优良的导热材料，其具体的热导率还依赖于石墨烯纳米带的长度、宽度，边界和其他条件。以上的理论分析为今后的实验和深入研究打下理论基础。

关键词：石墨烯纳米带倒逆过程弛豫率热导率声子

镁钪合金的声子与热力学性质的第一性原理研究

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镁钪合金的声子与热力学性质的第一性原理研究

作者：李嘉欣内蒙古师范大学

学位级别：硕士

形状记忆合金是一类功能材料,表现出形状记忆、超弹性和赝塑性,其物理根源均为高温奥氏体相到低温马氏体相的可逆相变。这些独特性使它们在医学、建筑、微机电系统和航空航天工程等领域都具有广泛的应用前景。Ogawa等人最近的研究成果... 详细信息

形状记忆合金是一类功能材料,表现出形状记忆、超弹性和赝塑性,其物理根源均为高温奥氏体相到低温马氏体相的可逆相变。这些独特性使它们在医学、建筑、微机电系统和航空航天工程等领域都具有广泛的应用前景。Ogawa等人最近的研究成果为轻质镁基形状记忆合金打开了可能性。Sc含量约为20 at.%的MgSc合金具有体心立方(β-bcc)结构,表现出各向同性的塑性行为。而MgSc同样作为一种形状记忆合金材料,对其存在的稳定相结构的研究还不够充分。本文采用密度泛函理论计算,在MgSc合金的立方相、六方相和正交相的不同组分下,分别讨论Sc原子的有序/无序排列、原子个数以及原子堆垛方式对稳定性的影响,从动力学性质的角度,结合力学性质、电子结构和热力学性质研究了相稳定的规律。从力学性质上来看,β相MgSc合金的Sc原子长程有序化对弹性系数的影响显著,在15-25 at.%Sc范围内无序相的力学稳定性较好,但韧性较差。Sc有序化导致合金四方剪切模量变得很小(～4 GPa),因此Sc有序化可能使得β相MgSc合金出现剪切失稳。从动力学性质上来看,Sc有序化消除了β相MgSc和MgSc合金声子谱中的虚频支,但对于有序的bcc相MgSc合金的晶格不稳定是由于合金处于稀释固溶体状态,更可能以合金的六方相结构存在。对立方相而言,在Sc组分15-25 at.%范围内晶格动力学稳定,Sc组分50at.%时只显示有序相(B)的动力学稳定。在Sc组分20.83at.%以下的区域,六方相和正交相的Cmcm结构都显示动力学稳定。由于MgSc作为一种马氏体相变的模型系统,具有强非谐效应。因此对动力学不稳定的有序bcc相MgSc合金,引入了温度依赖的有效势方法,计算了不同温度下的声子谱,当温度升至50K后消除了虚频,并且不同温度的变化会引起部分模式的硬化或者软化。从电子结构上来看,一方面,对于立方相的有序和无序性分析,在Sc组分为18.75at.%时有序化使得虚频消失。有序-无序的费米面明显不同,无序化有清晰的平移矢量出现,费米面的重构使得晶格畸变。并且有序-无序之间的Mg原子和Sc原子的分波电子态密度也明显不同,Sc的合金化使得Mg引入了较强的p-d杂化;另一方面,对于相同原子个数的SQS结构的不同晶相,他们的电子结构在Mg-12.5at.%Sc时区别最大,立方相在费米面附近有明显的高峰,是导致该结构动力学不稳定的原因,而六方相和正交相的Cmcm结构状态接近,并且费米面附近的电子状态数并没有强烈的振荡,也与声子色散表现出的稳定性一致。从热力学性质上来看,通对吉布斯自由能之差和熵变计算的差值,验证了不同组分下立方相的不稳定性,再次证明了bcc相作为MgSc合金的母相,在Sc组分12.5at.%-20.83at.%区域有存在马氏体相为六方相P6/mmc和正交相Cmcm的可能性。除此之外,我们提出在稳定的六方相P6/mmc和正交相Cmcm中,原子堆垛为4H形式会比理想的hcp(2H)稳定。

关键词：镁钪合金声子热力学性质有限温度声子

单一和堆叠倾斜界面体系中声子输运特性和导热性能研究

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单一和堆叠倾斜界面体系中声子输运特性和导热性能研究

作者：任国梁华北电力大学

学位级别：硕士

硅、锗是微电子/光电和光伏器件应用的最佳材料之一,因此成为半导体工业的基石。硅锗纳米结构在许多领域中得到越来越多的应用,其热输运特性引起了人们的广泛关注。在硅锗纳米结构材料中,热能主要通过声子传递。尽管降低热导率对于计算... 详细信息

硅、锗是微电子/光电和光伏器件应用的最佳材料之一,因此成为半导体工业的基石。硅锗纳米结构在许多领域中得到越来越多的应用,其热输运特性引起了人们的广泛关注。在硅锗纳米结构材料中,热能主要通过声子传递。尽管降低热导率对于计算机处理器中使用的纳米电子器件的热管理来说是一个挑战,但它仍有利于热电(TE)能量转换。深入了解纳米尺度的热输运对于在新兴应用中实现低维纳米结构的最佳利用具有战略意义。因此在本工作中,我们利用非平衡分子动力学方法系统地研究了含有倾斜的单一界面和堆叠多界面体系(超晶格)中的声子热输运特性。研究发现含有倾斜的单一界面和堆叠多界面体系中的声子传输特性并不相同。对于含有倾斜的单一界面体系而言,计算结果表明:界面粗糙度减小了界面处声子阻抗的突变,使得具有较大入射角的声子可以进行传输,从而起到增强透射的作用,导致粗糙界面体系的界面热导高于光滑界面体系的界面热导。对于堆叠多界面体系而言,计算结果表明:(1)界面角度的变化会引起超晶格结构热导率较强的各向异性,且各向异性程度并不随界面角度单调变化。(2)由于45o结构和90o结构界面原子排列符合金刚石结构中密排面的原子分布,在短周期下诱导声子发生相干性输运。(3)90o超晶格结构中,由于Si、Ge晶格常数的差异,导致界面原子受到较大的拉(压)应力,产生了较强的声子散射;而且其高频光学声子出现较多的平带以及带隙,从而削弱了声子热传导。(4)在短周期下,超晶格结构的声子-声子散射平均自由程大于其周期长度,声子能够保持其相位和波的性质,进行相干性输运,热导率与样本长度线性相关;在长周期下(10×10超晶格结构),热导率几乎不随样本长度的变化而改变,其主要原因是周期长度大于声子相干长度,导致声子非相干输运。本论文将有助于进一步理解低维硅纳米结构中的声子热输运现象,并为硅锗材料热电应用以及其他热相关应用提供有用的设计指导。

关键词：热导率分子动力学模拟声子倾斜角度超晶格