低维晶格体系中负微分热阻现象的研究

负微分热阻现象(热流随温差的增加而减小)是最近热流控制前沿研究热点之一，备受科学家关注。负微分热阻现象是在研究热不对称输运现象时候发现的一种新颍的现象；在这一现象的基础上面，各种微观的热器件理论模型（如热三极管、热逻辑门和记忆器等）被提出。类比负微分电阻现象，负微分热阻现象有重要和广泛的应用前景。然而，最近研究表明负微分热阻现象只在一些特定的情况下面才出现，人们对负微分热阻现象的形成条件和内在机制尚缺乏完整而统一的认识。基于这种现状，本申请拟通过分子动力学模拟以及相应的理论分析方法研究低维晶格体系中负微分热阻现象；详细归纳出其与系统参数的依赖关系，进一步与各种实验结果和标准热输运理论进行比较，以期给出负微分热阻现象形成的条件和内在机制，从而对实验现象作出理论解释；为在此基础上设计能应用实际的热三极管、热逻辑门和热存储器等热器件打下基础和提供理论参考。

低维材料如纳米尺度上的热传导研究是当前十分活跃的研究领域，具有重要的学术价值与应用前景。其中，负微分热阻现象(热流随温差的增加而减小)是最近热流控制前沿研究热点之一，备受科学家关注。本项目主要关注于二维石墨烯纳米带中负微分热阻的研究和二维纳米带硅烯、锗烯的输运性质研究，主要包括以下研究内容和成果：（1）通过非平衡分子动力学方法研究了在对称的石墨烯纳米带结构中缺陷对负微分热阻的影响。值得注意的是，发现负微分热阻现象会随缺陷数量的增加将会消失。此外，当温差比较大的情况下，有缺陷的石墨烯纳米带中的热流比相应无缺陷的结果还要大。相应结果通过声子谱不匹配理论进行定性理论解释。该工作有利于设计用石墨烯纳米带为基底的纳米热器件。（2）采用第一性原理密度泛函理论，玻尔兹曼输运方程，形变势理论，计算了硅烯的本征载流子迁移率。其结果略低于石墨烯，但是已经很高。该结果表明硅烯类似石墨烯一样在电子器件方面应该也能具有优异的表现。(3) 采用了第一性原理计算研究了硅烯纳米孔洞的电学和光学性质, 结果显示硅烯纳米孔洞材料在电学、光学和光伏方面有很大的潜在应用。（4）采用玻尔兹曼输运方程和近似弛豫时间相结合的第一性原理，计算了锗烯的本征载流子迁移率略高于石墨烯，表明锗烯在纳米电子学方面应该能有很好的应用。