低维系统中的输运和扩散行为研究

One of the key issues of nonequilibrium statistical physics is how a system approaches to the equilibrium state, which determines the statistical properties of the system, such as transport and diffusion. This project will study the problem that how low-dimensional systems approach to equilibrium from a near-equilibrium state. We will develop a general theory to analyze the transport and diffusion in low-dimensional systems and then reveal the system size dependence of thermal conductivity, time decay of flux correlation function, density fluctuation of physical quantities, and coupling of transport processes. For that purpose, we will not only apply numerical simulation and theoretical analysis to study the typical low-dimensional fluids and lattice models, but also develop the technique to prepare two-dimensional materials, such as millimeter-size single-crystal graphene, and technique to measure thermal conductivity in low-dimensional materials. In particular, we will study the size dependence of thermal conductivity of two-dimensional materials experimentally. Meanwhile, as to understand the diffusion behavior in lattice systems, we will study the diffusion of particles in two-dimensional scatterers and show the condition and mechanism for the occurring of normal diffusion, superdiffusion and subdiffusion. Based on the understanding of transport and diffusion behaviors, we will develop the theory and approach to control thermal transport in low-dimensional systems. We will then explore the new approaches to enhance thermoelectric performance in low-dimensional materials and heat sinking in micro and nano materials and devices theoretically and experimentally.

趋向平衡是非平衡态统计物理的核心问题，决定了系统输运和扩散等统计物理性质。本项目研究低维系统从近平衡态趋向平衡的问题，发展低维系统输运和扩散的一般性理论与分析方法，揭示热传导系数对系统尺寸的依赖规律、流关联函数随时间衰减的规律、物理量密度涨落的扩散规律、不同的输运过程之间的耦合关系。为此，我们不仅拟运用数值模拟和理论分析研究典型的低维流体和低维晶格模型，也拟发展大尺寸单晶石墨烯等二维材料的制备技术和低维材料热传导测量技术，借助实验研究二维材料热传导随样本尺寸的依赖关系。同时，为了理解晶格材料中的扩散运动，拟研究粒子在不同结构的二维散射子中的散射规律，揭示粒子在材料中正常扩散、超扩散、亚扩散发生的条件和机制。在深入理解输运和扩散规律的基础上，研究控制低维系统热输运的理论和方法，结合实验研究，探索利用低维特性提高热电材料性能的新途径，探索微纳米材料和器件的散热问题。

本课题主要任务包括研究以低维流体和低维晶格模型为对象的低维系统从近平衡态趋向平衡的问题，发展低维系统输运和扩散的一般性理论与分析方法，揭示热传导系数对系统尺寸的依赖规律；发展大尺寸单晶石墨烯等二维材料的制备技术和低维材料热传导测量技术，借助实验研究二维材料热传导行为,并试图实现理论与实验的紧密结合；在此基础上，研究控制低维系统热输运的理论和方法，探索利用低维特性提高热电材料性能的新途径。整体而言我们在三个方面都取得了重要的进展。主要包括（1）明晰了低维系统热输运和扩散问题整体框架和问题，进一步的后续工作有望建立完整的系统理论，成为统计物理成功应用于实际系统的一个典型例子。具体进展包括揭示了低维晶体内部相互作用势的对称性对热传导行为的影响，将会对低维系统热传导今后的理论和实验研究具有重要的意义；揭示了外压力通过影响低维材料内部势的对称性影响热传导的机制,给出了定性分析理论；获得了一般布朗粒子扩散系数的计算公式，是布朗运动理论的重要进展；首次发现无序材料中能量扩散存在“非高斯正常扩散”现象。（2）首次确定了热电转换性能理论上限并揭示了其微观动力学机制，是热电转换理论研究上的重要突破，有潜在的重要应用价值。（3）在石墨烯的制备和输运方面取得了一系列的进展，包括大尺寸单层/多层石墨烯的可控制备，石墨烯荧光蛋白传感器机制研究，石墨烯/铂衬底上直接范德瓦尔斯外延生长MoS2/石墨烯异质结，MoS2 domain 在石墨烯衬底上随温度变化的形貌演变，单层石墨烯晶界的直接可视化等。同时，在理论和实验结合研究方面则没有完全实现预期的计划。本项目发表了表明资助文章60余篇，第一标注文章20余篇。