单层MoS_(2)中声子热输运的第一性原理研究

基于密度泛函理论和声子玻尔兹曼输运理论,研究了单层MoS_(2)的晶格热导率对温度的依赖关系,深入研究了单层MoS_(2)中声子的热输运机理。结果表明:单层MoS_(2)的晶格热导率在300K时为101.5W/(m·K),且热导率随温度的升高而降低。通过对比各声子支分析,得到单层MoS_(2)纵向声学支(LA)的群速度最大,且LA支占有单层MoS_(2)热导率的最大贡献率(46.47%)。最后计算了单层MoS_(2)的代表性声子平均自由程,发现当单层MoS_(2)的特征尺寸小于40.9nm时,可以通过改变纳米结构来有效地调节MoS_(2)的热导率。

纳米SiO_2材料声子热输运的格子玻尔兹曼法模拟

根据德拜物理模型,采用格子玻尔兹曼方法(LBM)对纳米二氧化硅薄膜内的声子热输运特性进行了模拟分析,得到了薄膜内的温度响应特性;在此基础上,分析了其法向有效导热系数。计算结果表明,当努森数大于0.01时,薄膜边界处出现温度跳跃,呈现出明显的微纳米尺度传热特性;当薄膜厚度小于20nm时,减小厚度可使其有效导热系数迅速降低;当薄膜厚度大于20nm时,其有效导热系数趋于恒定。

纳米孔超级绝热材料声子热输运模拟研究

为研究纳米超级绝热材料中声子输运,采用一维声子热输运的格子玻尔兹曼方法(LBM),建立纳米薄膜内声子热输运的数学模型。在稳态条件下,对LBM方法获得的纳米薄膜内声子能量密度特性曲线、纳米薄膜有效热导率的有效性进行验证。基于LBM方法,对克努森数Kn(纳米薄膜声子平均自由程与薄膜厚度之比,特定纳米材料有一定的声子平均自由程)对纳米薄膜内声子能量密度的影响进行模拟分析。由LBM方法获得的纳米薄膜内声子能量密度特性曲线、纳米薄膜有效热导率与对比方法获得的计算结果基本吻合,证明LBM方法有效。随着克努森数Kn的增大,界面效应(纳米薄膜界面处声子能量密度的跳跃)越明显,说明尺度效应(克努森数Kn对声子能量密度、有效热导率的影响)是纳米材料的明显特征。

硅薄膜导热系数微尺度效应的临界尺寸

基于灰介质假设及拟合的色散关系，采用蒙特卡洛方法对微纳米硅薄膜内的声子热输运特性进行了模拟．将3μm厚的硅薄膜导热系数的计算结果与文献结果进行了对比，二者吻合较好．分析了厚度对薄膜内温度场及导热系数的影响．结果表明，当厚度小于某一尺度时，薄膜导热系数会随着厚度的减小而降低，呈现尺度效应；薄膜内温度场也不再是线性分布，而是在边界处呈现阶跃特性，且随着厚度减小，温度阶跃增大．基于该方法求得了100～400K温度区间内，硅薄膜法向导热系数出现明显尺度效应的临界尺寸．计算发现，随着温度的升高，临界尺寸变化范围很大，平均温度为100K时，临界尺寸约为50μm，平均温度为400K时，临界尺寸约为2．5μm，前后相差了一个数量级．