石墨烯纳米带在机械冲击下热导率调控的探索研究

Graphene nanoribbons play an important role in the thermoelectric materials. In order to improve the energy conversion efficiency of thermoelectric devices, thermal conductivity of graphene nanoribbon is studied under effects of atomic defects, interfaces, edge structures, sizes, and thermal ladings conditions with molecular dynamics simulations. Due to micro-structure instability of materials subjected to mechanical shocks, we propose “the most probable” characters with the statistical methods, and study the relationships between “the most probable” property and the thermal conductivity. According to these, we give the methods of the thermal conductivity regulation. For the interface effects, we study the influences of the interface reliability on the thermal conductivity under the recycle mechanical shocks. In addition, the “bond-order-length-strength” theory is applied on molecular dynamics simulations to study the effects of atom bonds on phononic transport of graphene nanoribbons, and give the relationship between deformation mechanism and thermal conductivity mechanism. With the thermal conductivity regulation of graphene nanoribbons, it is helpful to improve the energy conversion efficiency of thermoelectric devices.

石墨烯纳米带在热电器件材料中占有重要地位。本项目针对如何提高材料热电转化效率这一问题，采用非平衡分子动力学计算的方法，研究石墨烯纳米带在单轴机械冲击下的热导率，重点考察缺陷、界面、边缘构型等内在因素，和尺寸效应、热流加载强度等外界加载条件对热导率的影响。鉴于低维尺度材料在机械冲击下的微观结构不稳定性，我们对热导率的研究，采用多体系统计的方法，建立“最可几”影响因素与热导率之间的关系，并结合宏观现象和微观性质之间的联系，得出调控石墨烯纳米带热导率的方法。对于界面效应，通过对体系进行循环的单轴拉伸压缩冲击，进一步考察界面稳定性对体系热导率的影响。另外，将“键序-键长-键强”相关联理论引入到分子动力学计算中，从原子键的角度，分析体系在机械应变中热载流子（声子）的运动机制，揭示体系的形变机理和热导机理之间的关系，明确可以调控石墨烯纳米带热导率的本质因素，及提高材料热电转化效率的方法。

针对如何提高材料热电转化效率这一问题，采用非平衡分子动力学计算的方法，本项目研究了石墨烯纳米带在单轴机械冲击下的热导率，重点考察缺陷、界面、边缘构型等内在因素，和尺寸效应、热流加载强度等外界加载条件对热导率的影响。我们发现体系在形变过程中的结构变化是其热导率发生变化的主要影响因素，且缺陷和尺寸效应是主要的研究点。因此，我们在考察了形变速率对石墨烯纳米带热导率影响的基础上，集中考察了缺陷和尺寸效应的影响，同时也比对了其对金纳米线在单轴形变下的结构变化影响。研究结果为，宏观体系的形变结构是其热导率如何变化的本质，但微观热导率的变化实际上是热载流子（声子）在体系结构形变过程中存在的传输和散射运动平衡所致，所以说，最终如何控制这种声子运动平衡机制是提高石墨烯纳米带热电转化效率的关键方法。