低维晶格网络中的热传导及热控制研究

With the fast development of material science and nanotechnology, more and more (quasi-) 1D and (quasi-) 2D materials are fabricated. These low-dimensional systems show rich properties of thermal transport and provide a physical base for the low-dimensional micro thermal devices. However, the traditional and ideal 1D or 2D lattice model is insufficient to explain the thermal transport property of realistic low-dimensional materials. A more realistic condition is to consider the heat conduction network. In this project, we will introduce inhomogeneity into homogeneous lattice network with three different ways, and then we will essentially study the heat conduction in the inhomogeneous network. According to the idea of motif, we will also study the heat conduction in three- , four-oscillator and benzene ring motif of the lattice networks systematically. As a result, the dependence between heat conduction in motif and in whole lattice network will be given. Meanwhile, an effective plan for controlling the micro heat flow will be developed. It can be expected that the results of this project could deepen our understanding of the properties and mechanism of heat conduction in low-dimensional materials, and provide the theoretical direction for controlling micro heat flow.

随着材料学及纳米技术的快速发展，越来越多的（准）一维和（准）二维体系被制备出，这些低维系统展现出丰富的热输运性质，并为制造低维微结构的热器件提供了一定的物质基础。不过传统的一维和二维链模型对于阐明真实低维材料的热输运性质往往是不充分的，更接近实际的情况则是对热传导网络的研究。在本项目中，我们将通过三种方式在均匀的晶格网络中引入非匀质的特性，重点考察非匀质网络中的热传导行为。同时结合复杂网络中模体的概念，对晶格网络中的三振子模体、四振子模体及苯环结构模体中的热输运性质进行系统地研究。研究结果将给出模体的热传导行为跟整个晶格网络热传导行为之间的关系，并试图提出控制微热流的有效方案。可以预期，本课题的研究结果将有助于进一步认识和理解低维材料中的热传导性质及热导机制，并为低维材料中微热流控制的研究提供一定的理论指导。

随着现代电子学以及光电子学的发展，人们已经可以通过调控电子载流子，实现对导体、半导体中电流大小及方向的控制。各种电子器件、光电子器件也被设计和制造出来，并已进入到人类社会的各个领域。声子（即晶格振动），作为半导体和绝缘体材料中热的主要载流子，是否也能像电子一样被有效调控，激发了很多学者的研究兴趣。我们着眼于此问题，重点研究了由两片段耦合链模型，以及含基底的双链耦合模型中的热输运特性。结果表明，在FK-FPU两片段耦合链模型中，存在负微分热阻效应。并且我们发现，可以通过调节FK段的长度来改变体系中的负微分热阻区域。对于具有质量梯度的两片段晶格模型以及耦合了基底的质量梯度FPU链模型，我们给出了可以调节其整流因子的有效方法。这些研究结果对实际制备及设计热整流器件有一定的理论指导意义。